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隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，電子鎖技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。電子鎖系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，并已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。電子鎖系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了單一密碼鍵盤電子鎖系統(tǒng)、IC 卡電子鎖系統(tǒng)、非接觸式IC 卡電子鎖系統(tǒng)，到現(xiàn)在最新的生物識(shí)別系統(tǒng)。其中，非接觸式IC 卡電子鎖系統(tǒng)由于其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)越的性能，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文在對(duì)RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的非接觸式IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用分層次分布式集中控制方案，將所有電子密碼鎖組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)包括管理中心服務(wù)器、用戶樓棟PC、電子密碼鎖三層結(jié)構(gòu)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
管理中心服務(wù)器是整個(gè)電子密碼鎖系統(tǒng)的管理和控制中心，同時(shí)運(yùn)行有電子密碼鎖管理 系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用支持網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，方便功能的擴(kuò)展。為了達(dá)到對(duì) 所有電子密碼鎖進(jìn)行統(tǒng)一安全管理的目的，用戶通過使用非接觸式IC 卡并輸入密碼來打開 電子密碼鎖，并將用戶的IC 卡信息、*時(shí)間等存入數(shù)據(jù)庫。管理員通過電子密碼鎖管理 系統(tǒng)程序可以清晰的查詢到每個(gè)電子密碼鎖的使用狀態(tài)、進(jìn)出記錄等。
用戶樓棟 PC 采用RS485-TCP/IP 通訊轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)電子密碼鎖與管理中心服務(wù)器的信 息交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本身并不直接控制 電子密碼鎖的動(dòng)作。它的主要作用是將電子密碼鎖的RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)換成為TCP/IP 信號(hào)，從 而直接接入局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理中心服務(wù)器與電子密碼鎖之間的通訊。
3.電子密碼鎖設(shè)計(jì)
3.1 工作原理
非接觸式IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，主要使用了一片Mifare 卡專用 的讀寫處理芯片MFRC530。它是一個(gè)小型的、最大操作距離達(dá)10 厘米的Mifare 卡射頻基 站，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號(hào)、安全管理和防沖撞機(jī)制，是與非接觸式IC 卡 實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫非接觸式IC 卡的關(guān)鍵接口。 本系統(tǒng)中當(dāng)有卡進(jìn)入射頻天線感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，電子密碼鎖讀取非接觸式 IC 卡的卡號(hào)，并 將所讀卡號(hào)和用戶密碼存入存儲(chǔ)器，同時(shí)將用戶卡號(hào)及刷卡時(shí)間發(fā)送給用戶樓棟PC，并在 LCD 液晶顯示器上顯示用戶信息。當(dāng)沒有卡進(jìn)入射頻天線感應(yīng)區(qū)時(shí)，MCU 讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯 片中的時(shí)間，并在LCD 顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間及日期。
3.2 硬件組成
每個(gè)電子密碼鎖都能獨(dú)立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、識(shí)別卡是否有效、實(shí)時(shí)監(jiān)控刷卡 動(dòng)作、控制電子密碼鎖和報(bào)警器、讀取鍵盤信息等一系列的操作。電子密碼鎖系統(tǒng)的硬件部 分主要包括射頻基站MFRC530、鍵盤輸入模塊、LCD 液晶顯示、監(jiān)測控制模塊、RS485 通 信接口、時(shí)鐘DS1305、信息存儲(chǔ)單元及蜂鳴器報(bào)警。電路的硬件框圖如圖2 所示：
(1)系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C58RD+作為控制芯片，它是電子密碼鎖系統(tǒng)的控制核心， 用來控制并協(xié)調(diào)處理電子密碼鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。STC89C58RD+內(nèi)置32K 的Flash 存儲(chǔ)器 和1280 字節(jié)RAM，具有3 個(gè)16 位計(jì)數(shù)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，并具有P4 口、加密 性強(qiáng)、超強(qiáng)的抗干擾性、超低功耗、在線系統(tǒng)可編程和可遠(yuǎn)程升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。
(2)射頻基站模塊采用了飛利浦公司的MFRC530 芯片，MFRC530 是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無 線通信的核心模塊。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)， 通過由TX1，TX2 腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去，非接觸式IC 卡采用RF 場的負(fù)載 調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取非接觸式IC 卡的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX 腳，MFRC530 內(nèi)部接收緩沖器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到 數(shù)據(jù)總線上等待MCU 讀取。MCU 與MFRC530 采用SPI 總線方式進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)與非接 觸式IC 卡數(shù)據(jù)的無線傳輸[3]。
(3)信息存儲(chǔ)單元主要用來存儲(chǔ)用戶的交互信息，并防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，影響電子 密碼鎖的正常使用，從而實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的隔離性。存儲(chǔ)單元的用戶信息和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫信 息要求一致。信息存儲(chǔ)單元采用Ramtrom 公司生產(chǎn)的一種鐵電存貯器(FRAM) FM38081，存 儲(chǔ)容量為32k×8bits 的新型FRAM，具有高速讀寫、超低功耗和無限次讀寫等特性，特別適 合那些對(duì)數(shù)據(jù)采集、寫入時(shí)間要求很高的場合。由于MCU 不具有IIC 總線接口，F(xiàn)M38081 與外部接口需要采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IIC 總線，因此本系統(tǒng)采用P2.3 和P2.4 口線來模擬IIC 總線。
(4)系統(tǒng)在刷卡時(shí)需要記錄刷卡的時(shí)間，通過采用美國DALLAS 公司推出的低功耗串 行通信接口專用芯片DS1305 來提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘。DS1305 支持通過SPI 串行數(shù)據(jù) 端口或標(biāo)準(zhǔn)的三線接口進(jìn)行時(shí)間的校正和數(shù)據(jù)的讀取，可進(jìn)行單字節(jié)的連讀字節(jié)束發(fā)方式的 訪問。在本系統(tǒng)中，采用SERMODE 接地、使用三線串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：SCLK 作為時(shí)鐘輸入，SDA 作為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，RST 作為通訊允許信號(hào)。
(5)檢測控制模塊主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測門、鎖狀態(tài)和通訊的狀態(tài)，并執(zhí)行控制器的各種控 制信息，如執(zhí)行*、執(zhí)行報(bào)警等;LCD 液晶顯示部分選用以ST7920 為控制器的128×64 帶漢字庫的液晶模塊，用以顯示時(shí)間日期及各種狀態(tài)信息，作為人機(jī)交互的界面;鍵盤輸入 模塊采用4*4 鍵盤輸入，主要為MCU 提供用戶的輸入信息;蜂鳴器報(bào)警部分則為電子密碼 鎖的錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)出報(bào)警的聲音。
4.軟件設(shè)計(jì)
電子密碼鎖系統(tǒng)的程序包括：MFRC530 對(duì)非接觸式IC 卡的操作程序、MCU與MFRC530 通信中斷處理程序、讀寫時(shí)鐘芯片DS1305 及LCD 液晶顯示程序、檢測門和鎖狀態(tài)程序及 存儲(chǔ)器讀寫程序等。電子密碼鎖主程序流程圖如圖3 所示。
圖 3 電子密碼鎖主程序流程圖
5.存在的問題及解決方案
5.1 分布式結(jié)構(gòu)和集中統(tǒng)一管理相結(jié)合
建立分布式電子密碼鎖管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是分布在不同地方的電子密碼鎖與管 理中心服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。如果電子鎖通過RS485 信號(hào)直接和服務(wù)器交互信息， 將會(huì)導(dǎo)致傳輸距離較短、信息交互速度較慢、抗干擾能力差等問題的發(fā)生。而TCP/IP 協(xié)議 則有傳輸速度快、傳輸距離無限大、通訊質(zhì)量穩(wěn)定、不易受到外界干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，在實(shí) 現(xiàn)過程中，通過使用RS485-TCP/IP 通訊轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)了信息的轉(zhuǎn)發(fā)。
5.2 電子密碼鎖的隔離性
在電子密碼鎖系統(tǒng)中，將每個(gè)電子密碼鎖的用戶信息(如卡號(hào)和密碼)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)電子 鎖的信息存儲(chǔ)單元中，電子鎖控制器讀取信息存儲(chǔ)單元中的對(duì)應(yīng)用戶信息，并通過和用戶輸 入信息進(jìn)行比較來判斷當(dāng)前用戶的合法性，確保管理中心服務(wù)器或通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，不 會(huì)影響電子鎖的使用，實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的隔離性。
5.3 電子密碼鎖的防沖突性
射頻卡有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此電子鎖讀寫器可以“同 時(shí)”讀取多張非接觸式射頻卡的卡內(nèi)信息，但實(shí)際只讀取了其中一個(gè)非接觸式射頻卡，通過 在液晶顯示屏上顯示正在處理的非接觸式射頻卡的卡內(nèi)信息，來提示用戶輸入對(duì)應(yīng)的密碼， 解決了多個(gè)非接觸式射頻卡和密碼出現(xiàn)不一致的問題。
5.4 系統(tǒng)的安全性
對(duì) IC 卡信息的加密是決定IC 卡安全性的關(guān)鍵。由于本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的Mifare 卡，它是一種智能卡(smart card),內(nèi)建有中央微處理機(jī)(MCU)和ASIC 等，使卡在安全保密性、 認(rèn)證邏輯、算術(shù)運(yùn)算等微操作控制有序進(jìn)行。要訪問一個(gè)Mifare 類卡的數(shù)據(jù)，首先要完成 認(rèn)證。Mifare 卡的認(rèn)證采用三次認(rèn)證的過程，這個(gè)過程可由自動(dòng)執(zhí)行Authbent1 和Authbent2 命令來實(shí)現(xiàn)。采用此法后，可有效防止IC 卡的非法復(fù)制與數(shù)據(jù)非法修改。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，通過將非接觸式IC 卡和輸入用戶密碼結(jié)合在一起，并做好日志記錄，真正實(shí)現(xiàn)了電 子密碼鎖系統(tǒng)的安全性。
6.結(jié)束語
系統(tǒng)采用高性能的控制芯片 STC89C58RD+并結(jié)合技術(shù)成熟的射頻識(shí)別技術(shù)，分析了非 接觸式IC 卡電子密碼鎖的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，提出了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的非接觸IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了方便、安全、可靠、高效的電子鎖系統(tǒng) 設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)功能可以加以擴(kuò)展，適用于住宅小區(qū)、商場、辦公樓、學(xué)校等各種場所。實(shí) 踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好。
