基于GPRS和RFID技术的门禁控制系统

薛 琳 ，魏兰磊 ，朱述川 ，于传维

（1.山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛 266590；2.山东省机器人与智能技术重点实验室 山东 青岛 266590；3.兖州矿业集团 东滩煤矿，山东 邹城 273512）

随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，门禁管理系统不断向集成化、智能化和网络化的方向发展。但对于分散的小型企业和住宅小区来说，这些通用的门禁管理系统在布线和调试方面花费了过多的物力、财力。针对这种情况，本文介绍一种基于GPRS和RFID技术的门禁控制系统。

该系统综合了GPRS和RFID技术,利用GPRS网络实现门禁上位机对终端机的远程控制和交互数据传输,同时系统采用射频识别技术作为门禁身份识别方法，使门禁管理更安全方便。

1 门禁系统的方案设计

1.1 门禁系统总体结构

该门禁系统由上位机和终端机两部分组成，系统的总体结构框架如图1所示。

上位机由一台装有管理软件的PC机和一台管理机组成。上位机负责IC卡的发放、销毁,数据库的建立、管理、维护和系统数据库下载，负责收集、记录各终端机上传的信息，并向各个终端机发送命令。终端机是门禁系统的直接动作执行部分，包括开/关门以及用户的各种自助性服务。上位机和终端机之间通过GPRS网络实现数据交互。

该门禁系统有三种开门方式：密码开门、刷卡开门、手机/电话远程开门。密码开门指住户通过终端机的键盘输入自设定的密码开门；刷卡开门指住户通过系统上位机发放的IC卡开门；手机远程开门指访客通过系统终端机处的键盘拨打绑定的住户手机/电话，住户验证访客身份后，通过手机/电话的“*”键控制门锁打开。

1.2 管理机的硬件结构组成

管理机主要由：电源、GPRS模块、外部存储器、RS232串行通信接口、IC读卡模块组成。管理机的主要功能：读取IC卡信息，协助上位机软件建立数据库；在PC机和终端机之间建立GRPS网络桥梁，以便于PC机与终端机之间实现无线数据交互。

1.3 终端机的硬件结构

对各用户来说，门禁控制系统最重要的就是终端机，本终端机主要包括以下几个部分：电源为终端机电路提供不同等级的电压；微控制器负责终端机系统的信息采集、数据处理以及对各功能模块的控制；IC读卡模块负责对IC卡实时读取并将卡片信息上传给CPU；GPRS模块负责终端机与上位机、用户手机/电话之间的信息交互；音调译码器根据接收到用户手机/电话的按键音频脉冲信号实现用户的远程控制；键盘显示模块为人机接口，主要用于访客输入房间号和密码等信息；外部存储器主要存储用户的相关信息；电磁锁驱动门的开关。终端机的系统结构如图2所示。

2 终端机的硬件设计

针对各个模块的功能及性能要求，设计了各主要模块的电路。

2.1 微控制器选择

本设计选用新华龙公司的C8051F340为CPU[1]。该单片机有64 KB的Flash程序存储空间，4 532B的RAM，40个I/O口，4个通用16位计数器/定时器，双串口。另外，单片机还具有体积小（9 mm×9 mm）、价格低等优点。

2.2 GPRS模块

为减少管理机和终端机之间的布线，充分利用现有的无线通信技术，管理机和终端机之间的数据交互采用GPRS通信技术。同时为了实现用户能够用手机/电话远程控制楼宇门的开关，利用了GPRS模块的短信及语音等功能。

GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，具有实时在线、按量计费等特点，能够更加有效地利用无线网络信道资源，特别适用于间歇、非周期数据传输、少量的数据传输，在远程数据传输等方面得到了广泛的应用。

GPRS模块选用SIMCOM公司的SIM900B模块，该模块具有体积小、性能稳定、自带天线扣、性价比高等特点，可以实现语音、SMS、数据的低功耗传输。SIM900B的电路连接如图3所示。

U3为SIM卡，SIM900B通过自有的SIM卡接口为SIM卡提供电源并向其发送指令，实现SMS、呼叫等功能。D4～D7是为了防止静电损害，在SIM卡座附近放置的瞬变电压抑制二极管。

PWKEY管脚为SIM900B的使能端，软件使该管脚拉低至少100 ms后，SIM900B进入使能状态，此时CPU可通过串口向SIM900B发送指令。

2.3 IC读卡模块

射频识别 RFID[2](Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，利用射频信号及其空间耦合和传输特性实现对静止或移动物体的自动识别及数据交换。

RFID的实现包括RFID卡及读卡器两部分。

(1)射频识别卡

对于本系统而言，考虑到安全性及功能的可扩展性，选用了工作频率为13.56 MHz的IC卡，Mifare One S50、S70、FM1208及其兼容卡片均可。

(2)读卡器的设计

针对本系统所选的IC卡,以MF RC530作为读卡芯片。MF RC530利用了先进的调制和解调技术,完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动天线（可达100 mm）。

为节省 I/O口资源，RC530与单片机采用 SPI方式连接，RC530应用电路如图4所示。TX引脚上的电感和电容组成低通滤波器，能够很好地抑制13.56 MHz石英晶体振荡器中的高次谐波。接收电路部分的VMID与RX引脚之间连接一个分压器[3]。

2.4 电源模块

分析系统的功耗及各功能模块的电压需求，整个系统需要5 V、4.2 V、3.3 V 3个电压等级。可采用不同的降压型电压转换芯片逐级降低系统的输入电压。整个系统的输入电压由220 V市电经开关电源转换为12 V供给系统使用。

第一级电压转换采用了LM2576单片集成稳压器实现12 V→5 V的电压转换。该5 V电源为键盘显示、蜂鸣器控制电路、电磁锁控制电路以及作为后续4.2 V、3.3 V的电源输入。

第二级电压转换采用MIC29302实现5 V→4.2 V的转换，主要是为SIM900B模块供电。

第三级电压转换采用AMS1117实现5 V→3.3 V的转换，主要供给微控制器C8051F340、语音芯片AP89170等使用。

2.5 其他部分

系统键盘显示部分采用专用的智能控制芯片HD7279A，以MT8870作为双音多频解码芯片，实现用户手机/电话按键音的解码，远程开门的功能。

由于系统要存储的信息量比较大，考虑体积、I/O口数量等因素，设计选用串行的AT45DB041D为外部存储器。对本系统而言，该芯片可存储3 000个用户信息。

系统需要根据终端机的不同操作，发出相应的提示语音。例如：“没有此住户”、“密码错误”等。提示语音时间短，对音质要求不高，不需要重复录制和擦除，系统选用OTP型的AP89170作为语音芯片。

电磁锁的驱动电路采用光耦PC817和功率场效应管IRF9530实现数字电路对电磁锁的隔离、驱动。

3 系统软件设计

系统软件主要包括管理机、终端机及上位机软件三部分。由于管理机的大部分功能的实现方法与终端机是相同(例如射频卡读卡子程序、SIM900B建立GPRS连接的子程序)，且子程序是通用的，从而采用模块化的设计方法，以减少软件设计的工作量，缩短系统开发周期。

(1)终端机软件流程

终端机软件的总体设计思路：系统上电/复位开始运行，对系统进行初始化及自检。自检成功后，蜂鸣器响一声。读存储器中的系统参数，判断存储器是否为空。为空，则初始化系统参数；非空，则计算出通话时长、住户数目、卡数目等。之后，程序进入主循环。主循环中主要有四大部分：终端机对一些外部输入信号的处理(如按键、IC卡等)，以及对接收到的管理指令（如增加住户、删除住户等）的处理；终端机和管理机建立GPRS链接、进行GPRS通信；管理机对终端机进行串口管理。终端机软件流程如图5所示。

(2)上位机软件

PC机的上位机软件是系统重要的组成部分，是物业管理人员对门禁系统管理的最直接方式，人性化、操作简单是上位机软件设计最基本的要求。

基于各种软件开发工具的优缺点比较，及本系统在软件功能上的具体要求分析，设计中采用Delphi 7.0作为上位机软件开发工具[4]。

界面主要由管理员命令 （Admin）、操作员命令（Manager）、服务员命令（user）、串口设置、密码管理以及退出菜单组成。为了提高门禁系统上位机软件的安全性，软件设置了3种不同操作权限的用户类型：Admin、Manager及 User。

(1)Admin用户拥有最高的管理权限。admin用户可以进行用户管理、终端机管理以及数据库备份操作。Admin用户可以增加用户及修改用户的类型，添加门禁终端机且对系统数据库中的数据进行备份、恢复。

(2)Manager用户可以进行住户信息管理、IC卡发放管理等操作。

(3)User用户仅拥有查询数据以及报表打印等操作权限，不能进行IC卡发放以住户信息修改等操作。

该门禁系统上位机软件具有较好的操作界面，符合Windows操作习惯，使用方便。

本文以新华龙公司的C8051F340为主控芯片，以 SIM900B为 GPRS模块，以 IC卡为身份识别卡，设计了一个多种管理及操作方式的门禁控制系统。该系统集无线网络管理、短信管理及串口管理于一体，提供了密码开门、刷卡开门、手机/电话远程开门等多种开门方式。该系统成本低，安装、使用方便，安全可靠，易于推广。

[1]新华龙电子有限公司.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB Flash微控制器数据手册[EB/OL]（2006-1）,www.xhl.com.cn.

[2]游战清.无线射频识别(RFID)与条码技术[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]深圳吉盛科技有限公司.MF RC500匹配电路和天线的设计[EB/OL].(2005-2)，www.szjskj.com.

[4]王春红.Delphi 7程序设计[M].北京：北京交通大学出版社,2004.