一套完整的無線門禁系統(tǒng)解決方案
一、項目概述
1.1 引言
門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)，它集微機自動識別技術和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機械、光學、計算機技術、通信技術和生物技術等諸多新技術，是重要部門出入口實現(xiàn)安全防范管理的有效保障。隨著無線射頻識別技術的發(fā)展，非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)由于其技術成熟、價格低廉、使用方便等優(yōu)異的性能，已成為住宅、樓宇、銀行等系統(tǒng)的重要組成部分。使用新型高安全、可靠性的無線門禁系統(tǒng)，對于保護國家人民群眾的財產(chǎn)、安全及其維護社會穩(wěn)定具有重要意義。
1.2 項目背景/選題動機
目前的智能門禁系統(tǒng)大多數(shù)是基于有線通信的方式來實現(xiàn)的。眾所周知，有線通信具有安全、穩(wěn)定性好、易于實現(xiàn)等優(yōu)點；但同時有線通信方式具有初裝費用高、施工時間長、無法移動、變更余地小、維護費用高、覆蓋面積小、擴展困難等缺陷。隨著通信技術的發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡進入了一個新的天地。功能強、容易安裝、組網(wǎng)靈活、即插即用的網(wǎng)絡連接、可移動性強等優(yōu)點，使得無線網(wǎng)絡提供了不受限制的應用。因此無線射頻門禁系統(tǒng)不但能提高安全性和可靠性，而且相對傳統(tǒng)的契合性機械裝置，無線射頻門禁系統(tǒng)磨損消耗少，使用時間長，能有效減少門禁設備的更換，同時Atmel公司的AT32UC3A單片機具有較低的工作電壓和多種工作模式，極大的降低了工作能耗，這些對于當今環(huán)保節(jié)能的大潮流下，無疑具有重要意義。
二、需求分析
2.1 功能要求
1）被授權用戶（住戶）
對被授權用戶，是系統(tǒng)設定允許主動通過門禁的對象，他們可以通過刷卡或者從外接鍵盤輸入密碼的方式開門。
2）非授權用戶（來訪客人）
對非授權用戶，是系統(tǒng)設定阻止主動通過門禁的對象，他們可以通過無線語音呼叫，取得與室內(nèi)住戶的聯(lián)系，經(jīng)身份確認后，由住戶打開門禁。
3）非法入侵（小偷等）
對于企圖以破壞門禁系統(tǒng)等非法手段打開門禁系統(tǒng)的情況，系統(tǒng)能夠自動向小區(qū)保安中心緊急報警。
2.2 性能要求
1）安全性
該系統(tǒng)能夠阻止一切非授權對象的主動進入，保障財產(chǎn)生命安全。
2）可靠性
該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，能較好的抵抗外界干擾，保證動作的準確性。
3）實時性
該系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應用戶對象。
4）靈活性
該系統(tǒng)能夠比較容易的擴展，方便添加新用戶。
5）保密性
該系統(tǒng)具有較強的防破譯能力，強力保護用戶密碼。
三、方案設計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
該無線門禁系統(tǒng)硬件主要包括主控設備、電控鎖、電源、語音壓縮/控制平臺、無線傳輸平臺，其他周邊設備幾個部分構成，系統(tǒng)整體架構如圖1所示。
當被授權用戶刷卡開門的時候，讀卡器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，射頻卡獲得能量被激活，射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到主控設備進行相關處理；主控系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作，若被授權用戶忘記帶卡，還可以通過系統(tǒng)的外接鍵盤輸入密碼來開門。
3.2 硬件平臺選用及資源配置
選用EVK1100硬件平臺。
3.3系統(tǒng)軟件架構
整個軟件的設計不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連接的建立，同時必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。 在主機主控設備的FLASH程序存儲器中，存儲一張與從機頻率一一對應的地址碼表。該碼表的每一個頻率都與主機的一組按鍵值相對應。當主機的按鍵按下，主機的主控設備在FLASH 碼表中搜索與之對應的發(fā)送頻率， 將主機無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)送頻率配置于該頻率，并發(fā)送一個連接請求 ASK。能夠接收到此ASK請求的從機只能是具有相同接收頻率的從機。若主機正確接收到從機回復的允許連接的ACK，則連接建立。
由于外界環(huán)境的干擾，主機發(fā)送 ASK后，可能在ASK 傳輸過程中出錯而無法得到從機的響應。因此主機在發(fā)送一個 ASK連接請求后將開啟一個定時器，若超過定時器的定時時間之后系統(tǒng)主機仍然沒有接收到從機的ACK響應， 則主機將重新發(fā)送一個連接請求。 從機等待主機的連接請求ASK， 并根據(jù)自身的狀況選擇回復或者不回復 ACK。
從機發(fā)送完ACK之后，并不會立即準備進入工作狀態(tài)，它會繼續(xù)等待一段時間，確定沒有接收到主機再次發(fā)送的ASK 之后才進入工作狀態(tài)下。使用這種通信模式能夠增強系統(tǒng)的魯棒性，即使存在較強烈的外界干擾，也能夠保證主、從機之間正確建立連接。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
在本系統(tǒng)中，主機相當于無線網(wǎng)絡中的主設備，從機相當于無線網(wǎng)絡中的從設備，因此主機與從機在功能上存在極大的差別。下面將分別介紹主機與從機的軟件設計流程圖。
圖2給出了系統(tǒng)的主機的軟件設計流程圖。當主機的鍵盤有鍵按下時，主機將按下數(shù)字按鍵的鍵值存儲在 tra_array 中，tra_array 儲存的數(shù)字組合即與用戶終端的門牌號碼對應。此后，主機搜索內(nèi)存中的碼表，找出該數(shù)字組合相對應的發(fā)射頻率 F0，并將自身的 IA4420 模塊配置于 F0，發(fā)送一個連接請求幀 ASK。由于系統(tǒng)采用頻分復用的工作方式，所有的從機均工作于不同頻率，因此只有接收頻率同樣是 F0 的從機能夠接收、 響應主機的連接。 若主機在30ms 內(nèi)未收到從機回復幀ACK， 或者接收到的 ACK錯誤，主機將重復發(fā)送 ASK以最大程度確保從機能夠接收到主機的連接信號。此過程中的 ASK 幀的最大發(fā)送次數(shù)為 16 次，若超過該次數(shù)仍未接收到正確的 ASK，則主機自動跳回STANDBY 狀態(tài)。接收到正確的ACK回復后，主機與從機之間的通信鏈路成功建立，主機打開接收 IA4420 模塊，打開語音平臺，與從機進行語音通信。考慮到無線傳輸比有線通信存在更多的不確定性，無線系統(tǒng)中需要使用一些特殊的手段以保證通信的穩(wěn)定性。因此，主機內(nèi)置一個連接時間的定時器T0，若在 T0時間內(nèi)主機未收到從機的斷開連接請求，則主機自動關閉連接，跳回待機 STANDBY狀態(tài)。
圖3 給出了從機的軟件流程圖。從機并不會執(zhí)行關閉接收 IA4420 模塊的動作，即使在 STANDBY 狀態(tài)下，從機的無線接收模塊一直處于正常工作狀態(tài)，此特性的設計與從機被動等待連接的特點是相互匹配的。
考慮到無線通信的不確定性，當從機向主機回復 ACK后，需要繼續(xù)等待30ms。結(jié)合主機的程序流程設計可知，若主機在 30ms 內(nèi)未接收到從機的 ACK回復，則將重新發(fā)送一個 ASK 請求幀，因此，為了避免從機的 ACK 回復收到外界環(huán)境的干擾而未被主機接收到的極端情況，從機設計時在發(fā)送 ACK后繼續(xù)等待 30ms，若 30ms內(nèi)未收到主機再次發(fā)送的ASK,則說明主機與從機之間的連接建立成功。
3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的預定功能，對于被授權用戶能夠通過刷卡或者輸入密碼打開門禁，非授權用戶能夠通過無線語音系統(tǒng)向住戶發(fā)出進入請求，在經(jīng)過允許后可以進入樓內(nèi)，當系統(tǒng)遭到非法入侵時，能夠主動向保安中心緊急報警。
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