基于网络的门禁系统的设计

    门禁系统在公司、学校、宾馆等场所被广泛应用．随着生物识别技术、射频识别技术的发展和日渐成熟．门禁系统也朝着安全化、智能化、网络化方向发展，出现了指纹门禁、射频卡门禁等门禁系统．本文设计了一种门禁系统，集成了以上两种技术，即生物识别和射频识别技术，同时外扩多种模块，如语音、显示、键盘等，因此本门禁系统可以选择多种门禁模式，如指纹+射频卡模式、指纹+密码模式、射频卡+指纹模式等．各个门禁通过网络与服务器互连，实现了门禁的网络化．本门禁系统可以分成2个模块：模块1：所用处理器为AT89C51．外扩语音芯片，可以对门禁操作提供语音提示；LCD，显示操作菜单、时间等信息；键盘．实现密码门禁以及管理员设置门禁IP地址等功能；读卡芯片FM1702，实现对射频卡门禁功能．模块2：所用处理器为ARM $3C2410A e”．外扩指纹传感器芯片FPS200，读取指纹图像，实现指纹门禁功能圈；网络芯片RTL8019，门禁通过TCP／IP协议与服务器进行连接，实现门禁网络化．模块1与模块2通过串口连接，交换信息．本文对系统设计做详细介绍。

1 硬件设计 

    本系统的硬件采用了双处理器．既保证了门禁系统的实时性又可外扩多种功能模块使门禁使用方便、直观．系统框图如图1所示．

图1 门禁系统框图

    系统主要的硬件电路包括：射频卡读卡芯片FM1702电路、指纹传感器FPS200电路和网络芯片RTL8019电路． 

1．1 射频卡读卡芯片FM1702电路 

    射频识别技术是近年发展起来的自动识别技术，其利用射频方式在读卡器和射频卡之间进行无线双向通信，与传统接触式IC卡相比，具有更高保密性、方便性．本设计采用的处理器为AT89C51，读卡芯片为FM1702．FM1702是复旦微电子股份有限公司设计的基于ISO14443标准的非接触式读卡机专用芯片，支持13．56 MHz频率下的typeA非接触通信协议，支持多种加密算法．FM1702与单片机的接口方式有2种：并口和SPI．由于芯片并口方式的时序与处理器AT89C51的总线读写时序吻合，所以本设计采用并口方式，具体电路图见图2．IRQ接单片机的外部中断，以中断方式读卡；NCS、NWR、NRD、AI 分别接单片
机的片选、读写信号、锁存信号线；RSTPD接单片机的I／O口，复位芯片，芯片初始化前先复位，可以确定芯片是否工作；由于芯片自带地址锁存功能，地址和数据线复用，接在单片机P0口．

图2 FM1702电路图

1．2 指纹传感器FPS200电路 

    指纹传感器类型主要有光学式、压力式、半导体式等．本设计采用半导体式中的电容指纹传感器FPS200，它具有尺寸小、功耗低、坚固耐用、能自动搜索指纹图像等优点．其工作原理是传感器传感阵列每一点是一个电极，充当电容的一极．人的手指作为电容的另一极，传感器的表面的损耗层作为电容的介质层，由于手指脊谷形成的电容大小不一，先给电容充同样的电压，然后以同样电流放电．各个电容剩余的电压是不同的，这些剩余电压即可形成指纹的图像。

    FPS200与处理器件的接口有3种方式：SPI、USB、总线．本系统采用总线方式，在此方式下采集速率可达30帧／秒，完全能满足门禁的要求，具体电路图设计如下：CSl接高电平，CS0接ARM的nGCS1，即FPS200的地址为ARM bankl的地址；地址线、数据线、读写信号线直接与ARM连接，其他引脚按照FPS200的数据手册连接即可．另外，为了方便调试，最好将FPS200单独制板，并且将板上的模拟地和数字地分开． 

    关于FPS200的电路设计，在一些论文中提到时序问题．认为读写FPS200过程中由于数据在数据线保持时问太短，会使处理器读不到数据，所以要在处理器与FPS200之间加数据锁存芯片．笔者经过实验发现没有这个必要，因为ARM 的总线的时序是可以调整的，包括片选持续时间和读信号持续时间，甚至片选电平等．因此，在不能正确读写FPS200情况下就可以通过对ARM 的相关寄存器赋值来调整ARM 总线时序．

1．3 网络芯片RTL8019电路 

    为实现门禁网络功能，扩展了网络芯片，选用芯片型号为RTL8019．RTL8019实现了介质访问层和物理层全部功能，符合Ethernet IEEE802．3标准；全双工收发可以同时达到10 M速率；内置16 KB SRAM；支持8／16位数据总线． 

    RTL8019的工作方式有3种：跳线方式、即插即用方式和免跳线方式．在嵌入式系统中一般采用跳线方式，只要将65脚JP接1个上拉电阻就可以选这种方式．RTL8019的数据分为16位和8位2种，本设计采用8位数据口，将96脚接一个27 K的下拉电阻就可以选择这种模式．RTLSO19的介质接口分为AUI和BNC 2种，BNC支持8双绞线和同轴电缆2种模式，本设计采用BNC接口方式，将64脚AUI接地即可选择此方式． 

    另外很重要一点是在设计电路时应当考虑芯片引脚的电压是否相同，由于$3C2410的引脚为3-3 V．而RTL8019的引脚为5 V，所以在地址线上应该串联1个电阻，在数据线上应该加上1个电平转化芯片，本设计采用74 LVC4245，此芯片可以将5 v和3．3 v相互转化。 

2 软件设计 

    门禁系统工作过程如下：门禁系统初始化完成后处于等待状态，当有使用者对门禁进行操作时，门禁系统对使用者身份进行识别，验证通过则开门，同时将使用者信息通过网络传到服务器，服务器对信息进行记录，以备后查．因此本系统的软件可以分为2部分：单片机软件和服务器软件．服务器软件可以采用VC、Delphi等高级语言编写，主要有网络接口模块和数据库模块2部分．数据库可以选择SQL、ACCESS等．本文将主要介绍单片机软件．单片机软件首先初始化整个系统，包括设置门禁模式；初始化LCD，显示时间等信息；设定IP地址，测试网络是否畅通；然后进入等待状态，有中断发生则响应相应中断，采集指纹或者读射频卡，进行识别，决定是否开门，同时传输信息到服务器．单片机软件的主要模块有以下几个部分：指纹读取识别模块、嵌入式TCP／IP模块和射频卡读写模块．