无线通信在IC卡门禁系统中的应用

　　引言
　　在IC卡应用日益广泛的今天，IC卡门禁系统以其门禁管理的安全、可靠、高效、灵活、方便，已逐步取代其他现有各类门锁，成为目前门禁系统的主流方式。
　　IC卡门禁系统通常以用户IC卡的卡号为依据控制门的开启，为此发卡系统（中央控制PC机）必须将合法卡号（或黑名单）通过网络下载给所有门禁机。而门禁机也需将开门记录（卡号与时间）上传给中央控制PC机以实现各门禁点的集中管理。目前，IC卡门禁系统数据的传输基本是基于有线的网络, 如RS485, CAN 等。这些有线网络施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故障点不易查找，且易受雷击和过电压的影响。而数据采用无线传输方式又常常面临无法满足距离要求的难题,即使满足代价也非常大。
　　针对这种情况，本文提出了一种基于多点无线数据传输的IC卡门禁系统，采用单片无线收发芯片nRF903，数据采用多点跳传的方法，每个门禁点在作为本身数据的收发端的同时,又可做为其他门禁点数据的无线转发中继站，从而构成不受传输距离限制的无线通信链路。该系统无需敷设通信线路,以低成本的无线数传芯片保证足够的传输距离，可靠性高，便于维护，尤其利于现有老社区、旧办公楼的智能化改造。

　　1 系统硬件
　　系统采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare 1卡，以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN（全球唯一）为依据控制门的开启。系统工作流程如下：发卡系统（中央控制PC机）将用户的卡号及个人信息输入系统数据库，并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当M1卡进入门禁机的有效工作范围内时，门禁机读取M1卡的序列号SN，判断收到的卡号是否合法，合法则驱动电磁门锁开门，并暂时保存其开门记录；如果是非法卡（未经授权或已挂失的卡）则拒绝开门并上传报警信息。系统定时采集各门禁点的出入记录并加以存储、分析、处理。
　　系统的硬件构成见图1 ，由若干个分布于各门禁点的无线IC卡门禁机和一个无线数据收发器及一台中央控制电脑构成。无线门禁机与无线数据收发器之间采用双向无线通讯，中央控制计算机通过无线数据收发器向门禁机发送命令、下载数据以及接收门禁机上传的信息。各门禁机门禁记录分时传送给无线数据收发器, 无线数据收发器与中央控制计算机间采用RS232 串口通讯，并可同时作为发卡器使用。系统所有的管理工作都由中央控制计算机完成，如发卡、查询、挂失、解挂、下传黑名单、接收门禁记录、统计分析、打印报表等。

图1 无线通信IC卡门禁系统硬件构成框图

图2　 无线IC卡门禁机硬件电路框图
　　无线IC卡门禁机硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C52、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路、监控电路、NRF903无线通信接口电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件电路框图见图2。PC机端的无线数据收发器硬件结构与无线IC卡门禁机类似，由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C52、nRF903无线通信接口电路以及与PC机通信的RS232接口电路组成。

　　2 无线通信芯片nRF903
　　系统的无线通信模块采用了Nordic VLSI 公司的单片UHF多段无线收发芯片nRF903。nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM频段，无需申请频点，具体工作频率可以通过与之相连的单片机进行设置。它采用优化的GMSK调制解调技术，可在155.6KHz的有效带宽下传输最高76.8bps的数据；天线接口设计为差分天线，因而可采用低成本的PCB天线；最大发射功率+10 dBm，接收灵敏度为460 dBm ,在开阔地传输距离一般可达600m以上(在地形复杂时会缩短距离,这与使用环境、干扰、系统调谐有关)。nRF903片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，外围元件少；曼彻斯特编码/ 解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF903还具有待机模式，这样更节能和高效。

图3 nRF903与MCU的接口电路
　　nRF903 采用SPI(串行外设接口) 与微控制器通讯,它自动处理字头和CRC校验 ,使用极为方便,只需将要发送的数据和接收机地址送给nRF903， nRF903 自动完成数据打包(加字头和CRC 校验码) 、发送,在接收中有载波侦测引脚，接收到正确的数据包时,自动移去字头、地址和CRC 校验码,然后通知微处理器取数据。nRF903与MCU的接口电路如图3所示。nRF903 的双向数据线DATA 分别连接在AT89C52 的RXD 和TXD 引脚,RXD 和TXD 之间通过一个10kΩ的电阻隔离。AT89C52 通过连接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 对nRF903 进行工作模式设置,通过连接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 对nRF903 工作参数进行配置,以串行方式将14 位的配置字移入nRF903 的寄存器中,从而实现对频段、通道、输出功率和输出时钟频率的配置。由于AT89C52 没有SPI 串行硬件接口,所以需要用软件方式模拟SPI 接口,具体软件实现方法可参考文献[4]。

　　3 多点跳传无线通信方式
　　3．1 多点跳传无线通信局域网
　　本系统由无线数据收发器和PC机构成的主机与若干无线门禁机工作点组成一个无线局域网,采用多点跳传方式实现点对多点的通信，传输链路分布示意图如图4 所示。由图4 可见，在0号链路中，工作点01、02、03除了自身数据的传输之外,还在链路中起着数据中继传输站的作用，工作点04的数据通过工作点03、02、01的跳传传输给主机。该链路各工作点的传输路径如表1所示。其他各链路以相同的跳传方式传输数据。不同的系统可根据门禁点的实际分布来设计相应的链路结构。

图4 多点跳传传输链路分布示意图
　　3．2 多点跳传无线数据传输方式
nRF903 的通信信道是半双工的,这种方式首先需要设定当前发送端为主站，其他各工作点（接收端）均为从站, 主站及各从站的地址唯一。通信的协调完全由发送端控制,发送端采用带地址码的数据帧发送数据或命令,从站全部都接收,并将接收的地址码与本地地址码比较,不同则将数据全部丢掉,不做任何响应；地址码相同,则证明数据是给本地的,从站根据传过来的数据或命令进行不同的响应,将响应的数据发送出去。这种传输方式可保证在任何一个瞬间,通信网中只有一个电台处于发送状态,以免相互干扰。系统传输链路中,各工作点的地址码可根据工作点的数量采用不同的编排,使之有较大差异,以更好的抗干扰和误码。
表1　 0号链路各结点路由表

　　4 系统通信软件
　　4．1 通信协议
　　采用多点跳传无线数据传输方式,数据必须进行规定格式的处理,数据包的格式如下:

　　其中D_ADD为数据传送目的地地址；S_ADD为数据源地址；LENTH为数据长度(字节数) ；Data1～Data n 为有效数据；CHECK 为纠错检错校验码(1个字节) 。该数据包由微控制器发给nRF903 后,nRF903 在对其加入字头和CRC 校验后发送出去。

　　4．2 门禁机通信软件
　　为避免多个工作点传输时发生冲突,发送端与接收端采用握手联络的方式通信。根据数据的传送目的地址,发送端可通过查路由表确定接收端（下一个结点）的地址码,例如：0号链路中工作点03给主机发送数据,由链路结构可知传输路径为03→02→01→主机,则工作点03先设定nRF903 的发送地址号为02,发送申请发送请求,发完后转入接收状态,等待工作点02返回允许发送信号后再启动数据发送。工作点02接收到数据后,校验有误可通知03重发,校验无误后对数据包的目的地地址进行判断,发现是主机编号,则将数据转发,将接收端地址码设为01,发送过程与工作点03过程相同。如此下去,数据再经工作点01二次转发给主机,主机检查发现目的地就是主机,即将数据接收下来。这样经过工作点02、01的收发中继,工作点03的数据就跳传给了主机。其他工作点与主机之间的通信过程与此类似。无线IC卡门禁系统中某工作点的通信子程序流程图如图5所示。

　　5 结束语
　　本系统采用先进的无线通信技术实现IC卡门禁系统数据与控制信息的无线传输，该系统由于省去了集中器和485 布线，使工程造价大大降低，为门禁控制提供了安全可靠而又灵活方便的实施方案。　　
　
图5 无线门禁系统通信子程序流程图



参考文献
[1] 刘守义 毛丰江 ，智能卡技术，西安：西安电子工业大学出版社，2003
[2] Datasheet of Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF903 ,Nordic VLSI，2002
[3] Fischer R A，Laakonen A S，Schulz N N．A general pooling algorithm using a wireless AMR system for restoration confirmation．IEEE Transon Power Systems，2001，16(2)：312-316．
[4] 易志明,林　凌,李　刚,等. SPI 总线在51 系列单片机系统中的实现. 国外电子元器件,2003 , (9) :21～23