基于无线通信的无线射频门禁系统的设计与实现

一、项目概述

1.1 引言

门禁系统是新型现代化公共安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术和生物技术等诸多新技术，是重要部门出入口实现安全防范管理的有效保障。随着无线射频识别技术的发展，非接触式IC卡门禁系统由于其技术成熟、价格低廉、使用方便等优异的性能，已成为住宅、楼宇、银行等系统的重要组成部分。使用新型高安全、可靠性的无线门禁系统，对于保护国家人民群众的财产、安全及其维护社会稳定具有重要意义。

1.2 项目背景/选题动机

目前的智能门禁系统大多数是基于有线通信的方式来实现的。众所周知，有线通信具有安全、稳定性好、易于实现等优点；但同时有线通信方式具有初装费用高、施工时间长、无法移动、变更余地小、维护费用高、覆盖面积小、扩展困难等缺陷。随着通信技术的发展，无线通信网络进入了一个新的天地。功能强、容易安装、组网灵活、即插即用的网络连接、可移动性强等优点，使得无线网络提供了不受限制的应用。因此无线射频门禁系统不但能提高安全性和可靠性，而且相对传统的契合性机械装置，无线射频门禁系统磨损消耗少，使用时间长，能有效减少门禁设备的更换，同时Atmel公司的AT32UC3A单片机具有较低的工作电压和多种工作模式，极大的降低了工作能耗，这些对于当今环保节能的大潮流下，无疑具有重要意义。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）被授权用户（住户）

对被授权用户，是系统设定允许主动通过门禁的对象，他们可以通过刷卡或者从外接键盘输入密码的方式开门。

2）非授权用户（来访客人）

对非授权用户，是系统设定阻止主动通过门禁的对象，他们可以通过无线语音呼叫，取得与室内住户的联系，经身份确认后，由住户打开门禁。

3）非法入侵（小偷等）

对于企图以破坏门禁系统等非法手段打开门禁系统的情况，系统能够自动向小区保安中心紧急报警。

2.2 性能要求

1）安全性

该系统能够阻止一切非授权对象的主动进入，保障财产生命安全。

2）可靠性

该系统能够稳定的工作，能较好的抵抗外界干扰，保证动作的准确性。

3）实时性

该系统能够实时响应用户对象。

4）灵活性

该系统能够比较容易的扩展，方便添加新用户。

5）保密性

该系统具有较强的防破译能力，强力保护用户密码。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

该无线门禁系统硬件主要包括主控设备、电控锁、电源、语音压缩/控制平台、无线传输平台，其他周边设备几个部分构成，系统整体架构如图1所示。

当被授权用户刷卡开门的时候，读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活，射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到从射频卡发送来的调制信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码然后送到主控设备进行相关处理；主控系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作，若被授权用户忘记带卡，还可以通过系统的外接键盘输入密码来开门。

图1  系统整体框架示意图

3.2 硬件平台选用及资源配置

选用EVK1100硬件平台。

3.3系统软件架构

整个软件的设计不仅能够实现连接的建立，同时必须保证数据传输的准确性。 在主机主控设备的FLASH程序存储器中，存储一张与从机频率一一对应的地址码表。该码表的每一个频率都与主机的一组按键值相对应。当主机的按键按下，主机的主控设备在FLASH 码表中搜索与之对应的发送频率， 将主机无线传输系统的发送频率配置于该频率，并发送一个连接请求 ASK。能够接收到此ASK请求的从机只能是具有相同接收频率的从机。若主机正确接收到从机回复的允许连接的ACK，则连接建立。

由于外界环境的干扰，主机发送 ASK后，可能在ASK 传输过程中出错而无法得到从机的响应。因此主机在发送一个 ASK连接请求后将开启一个定时器，若超过定时器的定时时间之后系统主机仍然没有接收到从机的ACK响应， 则主机将重新发送一个连接请求。 从机等待主机的连接请求ASK， 并根据自身的状况选择回复或者不回复 ACK。

从机发送完ACK之后，并不会立即准备进入工作状态，它会继续等待一段时间，确定没有接收到主机再次发送的ASK 之后才进入工作状态下。使用这种通信模式能够增强系统的鲁棒性，即使存在较强烈的外界干扰，也能够保证主、从机之间正确建立连接。 

3.4 系统软件流程

在本系统中，主机相当于无线网络中的主设备，从机相当于无线网络中的从设备，因此主机与从机在功能上存在极大的差别。下面将分别介绍主机与从机的软件设计流程图。

图2  主机程序软件设计流程图

图2给出了系统的主机的软件设计流程图。当主机的键盘有键按下时，主机将按下数字按键的键值存储在 tra_array 中，tra_array 储存的数字组合即与用户终端的门牌号码对应。此后，主机搜索内存中的码表，找出该数字组合相对应的发射频率 F0，并将自身的 IA4420 模块配置于 F0，发送一个连接请求帧 ASK。由于系统采用频分复用的工作方式，所有的从机均工作于不同频率，因此只有接收频率同样是 F0 的从机能够接收、 响应主机的连接。 若主机在30ms 内未收到从机回复帧ACK， 或者接收到的 ACK错误，主机将重复发送 ASK以最大程度确保从机能够接收到主机的连接信号。此过程中的 ASK 帧的最大发送次数为 16 次，若超过该次数仍未接收到正确的 ASK，则主机自动跳回STANDBY 状态。接收到正确的ACK回复后，主机与从机之间的通信链路成功建立，主机打开接收 IA4420 模块，打开语音平台，与从机进行语音通信。考虑到无线传输比有线通信存在更多的不确定性，无线系统中需要使用一些特殊的手段以保证通信的稳定性。因此，主机内置一个连接时间的定时器T0，若在 T0时间内主机未收到从机的断开连接请求，则主机自动关闭连接，跳回待机 STANDBY状态。

图3 从机程序软件设计流程图

图3 给出了从机的软件流程图。从机并不会执行关闭接收 IA4420 模块的动作，即使在 STANDBY 状态下，从机的无线接收模块一直处于正常工作状态，此特性的设计与从机被动等待连接的特点是相互匹配的。

考虑到无线通信的不确定性，当从机向主机回复 ACK后，需要继续等待30ms。结合主机的程序流程设计可知，若主机在 30ms 内未接收到从机的 ACK回复，则将重新发送一个 ASK 请求帧，因此，为了避免从机的 ACK 回复收到外界环境的干扰而未被主机接收到的极端情况，从机设计时在发送 ACK后继续等待 30ms，若 30ms内未收到主机再次发送的ASK,则说明主机与从机之间的连接建立成功。

3.5 系统预计实现结果

该系统能够实现基本的预定功能，对于被授权用户能够通过刷卡或者输入密码打开门禁，非授权用户能够通过无线语音系统向住户发出进入请求，在经过允许后可以进入楼内，当系统遭到非法入侵时，能够主动向保安中心紧急报警。