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、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，無線通信網絡進入了一個新的天地。功能強、容易安裝、組網靈活、即插即用的網絡連接、可移動性強等優(yōu)點，使得無線網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，取得與室內住戶的聯(lián)系，經身份確認后，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)能夠實時響應用戶對象。
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)送來的調制信號，經天線調節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器對接收的信號進行解調和解碼然后送到主控設備進行相關處理；主控系統(tǒng)根據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實現(xiàn)連接的建立，同時必須保證數(shù)據傳輸?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，主機相當于無線網絡中的主設備，從機相當于無線網絡中的從設備，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?？紤]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，主機內置一個連接時間的定時器T0，若在 T0時間內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。結合主機的程序流程設計可知，若主機在 30ms 內未接收到從機的 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)結果
該系統(tǒng)能夠實現(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，在經過允許后可以進入樓內，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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