智能门禁系统监控面板软件的设计

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论文主要研究了基于MODBUS总线技术的智能门禁系统监控面板软件的设计思想与实现方法,同时对整个系统的组成及硬件实现也作了简单介绍。系统采用了MIFAREI射频卡原理,基于MODBUS总线技术,使用了Keil uVision2开发工具。软件采用了模块化的设计方法,使用C语言结合串口通信技术完成了监控面板软件的设计。

智能门禁系统监控面板软件的设计

设计总说明

随着信息技术和自动识别技术的飞速发展，门禁系统智能化的程度越来越高，已经成为现代建筑智能化的标志之一,引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的管理信息系统。因此建立一个全方位、多层次、立体化及高效率的监控管理信息系统己成为物业管理的一项重要内容，而智能门禁管理系统是该信息化管理不可缺少的重要组成部分。

论文主要研究了基于MODBUS总线技术的智能门禁系统监控面板软件的设计思想与实现方法,同时对整个系统的组成及硬件实现也作了简单介绍。

系统采用了MIFAREI射频卡原理，基于MODBUS总线技术，使用了Keil uVision2开发工具。软件采用了模块化的设计方法，使用C语言结合串口通信技术完成了监控面板软件的设计。

关键词：智能门禁系统，监控面板， MODBUS，软件设计

The Software Design

Of Intelligent Access Control System’s Monitor panel

Design Description

With the rapid development of information technology and automatic identify technology,the higher and higher level of intelligent Access Control System has become the symbol of the intelligentized of modem construction．The great changes have taken place in automatic system and information system based on the automatic system of integrated network has gradually formed .Therefore,setting up the management information system of stakeout is a very important job in the Proerty Managemnt,which is all-directions,tier and high-efficiency.Furthmore,the access control system is an important part in the management system.

In this thesis,the design ideas and the realized methods of intelligent access control system based on the MODBUS are mainly researched, at the same time,it also briefly introduce the construction and application of the hardware system.

System adopts a radio frequency card MIFAREI principle, is implemented under Keil uVision2,based on MODBUS bus. The software introduces modularization design method, using the C language to complete software design of the monitor panel.

Key Words: intelligent access control system, the monitor panel, MODBUS, software design

1 引言 ............................................................. 1

1.1课题提出的背景 ................................................ 1

1.2门禁系统的发展 ................................................ 2

1.3门禁系统的研究现状 ............................................ 3

1.4本文的主要研究内容 ............................................ 3

2 本文涉及的关键技术 ............................................... 5

2.1 MODBUS协议 ................................................... 5

2.1.1 MODBUS协议简介 ........................................... 5

2.1.2 MODBUS两种传输方式 ....................................... 6

2.1.3错误检测方法 .............................................. 9

2.2 MIFARE1射频卡原理 ............................................ 9

2.2.1 MIFARE1卡结构及功能组成 .................................. 9

2.2.2 MIFARE1卡片的存储结构 ................................... 12

3 智能门禁系统整体设计 ............................................ 14

3.1智能门禁系统介绍 ............................................. 14

3.2功能需求分析 ................................................. 15

3.2.1设计目标 ................................................. 15

3.2.2功能需求 ................................................. 15

3.2.3性能要求 ................................................. 16

3.3总体设计 ..................................................... 17

3.3.1系统组成 ................................................. 17

3.3.2监控面板组成 ............................................. 18

4 智能门禁系统监控面板的软件设计 .................................. 22

4.1监控面板软件的功能模块设计 ................................... 22

4.2系统流程图 ................................................... 23

4.3监控面板软件的详细设计 ....................................... 23

4.3.1网络通信模块的设计 ....................................... 23

4.3.2读卡验证模块设计 ......................................... 27

4.3.3键盘模块 ................................................. 28

4.3.4密码验证模块 ............................................. 30

4.3.5定时处理模块 ............................................. 30

4.3.6液晶显示 ................................................. 31

4.3.7存储模块 ................................................. 34

5 软件测试与应用 .................................................. 37

5.1软件测试理论 ................................................. 37

5.2软件测试方案 ................................................. 37

5.3测试总结 ..................................................... 38

6 总结与展望 ...................................................... 39

6.1总结 ......................................................... 39

6.2展望 ......................................................... 39

致谢 .............................................................. 41

参考文献 .......................................................... 42

1 引言

1.1课题提出的背景

当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。人们正感受着高科技带来的极大方便和益处，同时，人们对高科技服务于生活的要求也越来越高。但随着科技的发展，运用高科技手段进行盗窃、抢劫和间谍等犯罪行为层出不穷。人们企盼着更可靠安全的、与时俱进的安全防范措施，以有效的阻止这些犯罪行为的侵犯。

自古以来人们使用普通门锁来保护室内财产安全、控制人员进出的安防方式己经沿袭了几千年，这种安防措施始终离不开一把金属钥匙。但是钥匙多了就繁琐累赘，并且易被复制、丢失。传统的门锁已经在很大程度上不能满足现代安防的需要，为从根本上改变这种落后的局面，智能门禁系统在千呼万唤中应运而生。

智能门禁系统是一种综合性多学科的高科技技术集合，它是在电子、机械、计算机技术、通信技术等诸多新技术的基础上开发出来的[2]。在科学技术发达的今天，门禁系统己发展为一套现代化的、功能齐全的管理系统，它对出入门和通道的管理也早已超出了单纯的对门锁及钥匙的管理。它不止是作为进出口管理使用，而且还能有助于内部的有序化管理。它能够时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入区域，出入时间，礼貌地拒绝不速之客，同时也将有效的保护您的财产不受非法侵犯。门禁管理系统己成为安全防范系统中极其重要的一部分，在一些发达国家中，它正以远远高于其它类安防产品的进度迅猛发展，广泛应用在智能大厦、智能小区、办公室、宾馆等各种房间门、大门、人行通道的管理方面。在国内，门禁系统也已悄然兴起，包括邮电系统、供电系统、银行系统、住宅小区、度假村等各种类型的场所都已有使用门禁系统的范例，并且呈现出高速发展的态势。门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是因为其改变了以往安防产品如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动地控制替代了被动监视的方式，通过对主要通道的控制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时通过对通道门的控制限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失[3]。

目前智能门禁系统已成为发达国家和地区最主要的安防系统之一，和传统的安防设备不同，它变被动的监控和报警为主动的控制，起到更高的安全作用。因此，智能门禁系统在安防设备领域中独领风骚。据美国权威机构调查统计结

[1]

果:美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的57.8%，闭路电视监控及其它报警设备销售总额仅占39.2%，另外台湾安全器材市场年度调查报告中，门禁系统销售增长率25%，高出其它保安设备增长率十几倍,随着人们对门禁系统性能各方面要求的不断提高，现在智能门禁系统的应用范围越来越广泛。人们对智能门禁系统的应用己不再局限于单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还能与其它联动控制设备等一起构成多种控制功能的系统。

电子磁卡锁和电子密码锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露。磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。近几年，非接触式IC卡在门禁市场上意气风发，由于它可以防水、防污、防尘和潮湿等恶劣环境，而其免刷卡动作，感应速度快，除了方便外，更可避免卡与读写器之间的摩擦，降低机器故障率及器材损耗，且感应式读卡系统具备隔墙感应的特性，可兼顾隐密性与装磺设计之美观。再者，由于非接触IC卡的大容量读写存储特性，使感应卡门禁与考勤、计费、停车场等功能相结合，提升了系统性能及潜在价值。因此，专家认为，非接触式IC卡系统是门禁市场的主流方向。

1.2门禁系统的发展

智能门禁系统大致经历了以下几个发展过程[4]:

第一代门禁系统:单一的键盘输入密码方式。常常会有因忘记密码而被拒之门外;

第二代门禁系统:接触卡式门禁系统，进一步可分为:

l)磁码卡门禁系统:磁码卡是把磁质贴在塑料卡片上制成的。磁卡可以改写，应用方便。缺点是易消磁，易磨损；

2)铁码卡门禁系统:铁码卡中间用特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧的原理制成，不易被复制。铁码卡可有效的防磁，防水，是安全性较高的一种卡。这种系统虽然有些改进，缺点是如果卡片不小心被弄脏，持卡人员将被拒之门外。

第三代门禁系统:射频卡即非接触式IC卡门禁系统。一般指无源IC卡，卡片采用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在

读卡器本身产生的特殊振荡频率，当卡片进入读卡器能量范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将接收的信号转换成卡片资料，送到控制器进行判断、决策。

第四代门禁系统:生物辨识系统，包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识机、声音识别以及人脸识别装置等。这些门禁通常用于对安全性要求较高的出入口控制系统，视网膜辨识机和声音辨识装置在正常情况下安全性极高，但若视网膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使用。

以上几代门禁系统中，磁码卡价格便宜，仍被使用，铁码卡和射频卡保安性能好，在国外比较流行，生物辨识技术安全性极高，价格也高，一般应用在军政要害部门或银行黄金库等场所。射频卡门禁系统因为其优良的性能，合适的价格，是目前智能门禁系统中应用最为广泛的一种。

1.3门禁系统的研究现状

门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯顿、西屋(WSE)、洛泰克(NTK)，以色列的DDS、英国的集宝等品牌。国内从事门禁系统有捷顺、北京青云等公司。目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也将不断降低。

生物特征识别技术将会更加注重安全性、便携型、精确性、鲁棒性和可用性。核心算法研究方面，在指纹识别技术研究继续深入的同时，面像、虹膜识别技术也将会加速发展，新式的识别技术，如静脉识别等，也会不断产生。核心技术研究将更加关注不清楚部分或难以采集的特殊特征的处理方式，大规模数据库快速检索和数据挖掘方法也正在加速研究中[6]。

目前国外生产的门禁系统安全性较高，但是价格昂贵，感应式门禁系统控制器的价格从4000到3万元不等，包括读卡器、门锁、控制器、软件在内的一套系统报价在万元左右。国内生产的感应式门禁系统和指纹门禁系统价格较国外同类产品价格低大约10%--50%左右。 [5]

1.4本文的主要研究内容

本文的主要研究内容是:根据用户要求确定智能门禁系统的总体设计方案；分析门禁系统监控面板需要实现的功能从而进行软件设计；设计上位机与各个监控面板之间的通信程序。射频卡采用Phillps公司的MIFAREI射频卡,软件设

计编程采用C语言(Keil公司的C51),上位机与监控面板之间采用MOOICON公司的MODBUS串行通信协议进行串行通信。

本文的篇章结构为:

第一章主要介绍了门禁系统的提出的背景、发展过程和国内外现状，介绍了本课题主要研究方向

第二章主要对本智能门禁系统用到的关键技术做以阐述。介绍了MODBUS通信协议、MIFAREL射频卡原理。

第三章从硬件和软件两个方面对智能门禁系统总体设计和监控面板的总体设计做了介绍。

第四章详细阐述了智能门禁系统监控面板各个模块的软件设计，并给出设计流程图。

第五章根据已有的测试理论确定测试方案，进行了功能测试和性能测试。

第六章主要是总结本文，并指出此设计的不足之处和改进的方向。

2 本文涉及的关键技术

2.1 MODBUS协议

2.1.1 MODBUS协议简介

MODBUS协议是工业控制系统采用的一种通用协议。通过此协议，采集器相互之间、采集器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信，己经成为一种通用工业标准。不同厂商生产的采集设备可以通过协议连成工业网络，进行集中监控。MODBUS协议描述了一采集器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，制定了消息域格式和内容的公共格式。当在一个MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个采集器必须知道自己的设备地址，根据地址识别消息的归属，决定执行何种功能。如果需要回应，采集器将生成报文并以MODBUS协议帧方式发送报文。

MODBUS协议包括ASCll、RTU、TCP等协议，标准的MODBUS采集器使用RS232实现串行通讯。MODBUS的ASCll、RTU协议规定了消息、命令和应答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求，Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。MODBUS协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCll模式主要采用LRC校验，RTU模式主要采用16位CRC校验。MODBUS是0SI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接不同类型网络的设备之间提供数据的通信，如图2-1所示。目前，可以通过下列三种方式实现MODBUS通信。

图2-1 MODBUS协议层

(l)以太网上的TCP/IP。

(2)各种介质(有线:EIA/TIA232-F，EIA-422，EIAMA485-A，光纤，无线等)上的异步串行传输。

(3)MODBUSPluS，一种高速令牌传递网络。 [7]

2.1.2 MODBUS两种传输方式

MODBUS设置两种传输模式(ASCll或RTU)在标准的MODBUS网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数(波特率、校验方式等)，在配置每个采集器的时候，在一个MODBUS网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。所选的ASCll或RTU方式仅适用于标准MODBUS网络，它们定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何校验。在其它网络上(MAP和MODBUS PLUS), MODBUS消息被转成与串行传输无关的帧。

(1)ASCll模式

在MODBUS网络上以ASCII(美国标准信息交换代码)模式通信时，在消息中，每个sbit字节对应的两位16进制数都以ASCll字符值发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不容易产生错误1321。例如:要发送字符“20”时，ASCll发送模式为:“00110010”+“00110000”，也就是说发送“20”时，分别发送“2”的ASCll码和“O”的ASCll码。消息中ASCll字符采用十六进制字符O 9，A F;采用LRC(纵向冗长检测)进行检测。

使用ASCll模式，消息以冒号(:)字符(ASCll码3AH)开始，以回车换行符结束(ASCll码ODH，OAH)。其它域可以使用的传输字符是十六进制的O 9， A F。网络上的设备不断侦测“:”字符，当有一个冒号接收到时，每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己的。消息中字符间发送的时间间隔最长不能超过1秒，否则接收的设备将认为传输错误。其优点是:传输的都是可见的ASCll字符，进行调试时比较直观，LRC校验也比较容易。一个典型ASCll消息帧如表2-1所示:

表2-1 ASCll消息帧

(2)RTU模式

在MODBUS网络上以RTU(远程终端单元)模式通信，在消息中的每个sbit字节包含两个4bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是:在同样的波特率

下，可比ASCll方式传送更多的数据。消息是8位二进制数，采用十六进制数字符O 9，A F;采用CRC循环冗余检测)进行检测。在MODBUS系统中有2种传输模式可选择。这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。选择时应视所用MODBUS主机而定，每个MODBUS系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCll(美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远程终端设备)这两种模式的定义见表2-2。

表2-2 ASCll与RTU

模式对比表

使用RTU模式，起始位为Tl-T2-T3-T4。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0 9，A F。网络设备不断侦测网络总线，当第一个地址接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往本机的。在接收最后一个传输字符之后，至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样，如果一个新消息在小于 1.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。其优点是:能够传输的数据量比较大，同等波特率的条件下比ASCll模式要多一倍的信息量。一个典型的RTU消息帧如表2-3所示。

MODBUS网络的通信中心是主机，所有通信都由它发出。网络可支持最多247个远程从设备，但实际所支持的从机数要由所用通信设备多少决定。采用这个系统，各从机可以和中心主机交换信息而不影响各从即执行各自的工作。表2-4是MODBUS各功能码对应的数据类型，表2-5是功能码与功能对应表。由表可以看出，MODBUS的功能主要是读和写，数据类型主要是位、字符型、整型、状态字和浮点型，这些协议功能通过单片机装置实现成为可能。

[8]

表2-3 RTU消息帧

表2-4 MODBUS各功能码对应的数据类型表

表2-5 功能码与功能对应表

2.1.3错误检测方法

标准的MODBUS串行网络采用两种错误检测方法。帧检测分为LRC校验和CRC校验，它们都是在消息发送前由主设备产生的，从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到一传输错误，消息将不会接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。

(1) LRC检测

使用ASCll模式，消息包括了一基于LRC方法的错误检测域。LRC域检测了消息域中除开始的冒号及结束的回车换行号外的内容。LRC域是一个包含一个sbit二进制值的字节。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不相等，说明有误。LRC方法是将消息中的sbit的字节连续累加，丢弃了进位。

(2) CRC检测

使用RTU模式传送数据时，消息中包括了一个基于CRC错误检测域。CRC域检测了整个消息的内容。CRC域是两个字节，16位的二进制值。它由传输设备按CRC计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC中的值比较，如果两值相同，则正确，如果不同，则有误。

CRC-16(循环冗余错误校验)校验方法是:先调入一值是全‘l’的16位寄存器，然后将消息中连续的8位字节各当前寄存器中的值进行处理。仅每个字节的8位数据位对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。CRC产生过程中，每个8位字符都单独和寄存器的值相异或，结果向最低有效位方向移动，最高有效位以O填充，异或后寄存器的值的LSB(最低有效位)被提取出来检测，如果LSB为1，寄存器单独和预置值异或，如果LSB为O，则不进行。整个过程要重复8次。在最后一位(第8位)完成后，下一个8位字节又单独和寄存器的当前值异或，最终寄存器中的值，就是消息中所有的字节都执行之后的CRC的值。 [9]

2.2 MIFARE1射频卡原理

2.2.1 MIFARE1卡结构及功能组成

MIFARE1非接触式IC卡的核心是Philips公司的MIFARE1 IC S50(-01，-02，-03，-04)系列微模块(微芯片)。它所具有的独特的MIFARE RF(射频)非接触式接口标准已被定为国际标准:1S0/IEC14443 TYPEA标准。目前许多较大的IC卡

卡片制造商的非接触式卡制造均以MIFARE1技术为标准。该卡片上有8kb EEPROM存储容量，并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块。各扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。因此一张卡可以同时运用在16个不同的系统中，且可以根据每个系统的实际情况决定各区的密码及数据形式。卡片上还内建有增值、减值的专项的数学运算电路。文中所介绍的发卡器与IC卡读卡器所使用的卡就采用MIFARE1卡。

MIFARE1卡中包含一块ASIC微晶片和一个高频天线，其基本工作原理是:读写器中的MIFARE基站向MIFARE卡发一组固定频率(13.56MHz)的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与基站发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，使卡片内具有电荷，当所积累的电荷达到2V时，卡片中芯片将卡内数据发射出去或接收基站对卡片的操作。

MIFARE1的框图如图2-2所示，整个卡片包含了两个部分:RF射频接口电路和数字电路部分。

RF射频接口电路:在RF射频接口电路中，主要包括有波形转换模块，它可以将IC卡读写器上的13.56MHz的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其进行整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终将输出电压供给卡片上的各个电路。

数字电路部分:主要包括请求应答模块、防重叠功能模块、选择模块、认证及存取控制模块、控制及算术运算单元、RAM/ROM单元、数据加密单元、存储器及其接口电路。

图2-2 MIFAREI IC S50的组成框图

(l)请求应答模块(Answer to Request):

当一张MIFAREI卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，读写器向卡片发出Request All(或Request Std)命令后，请求应答模块将启动，将卡片Block

0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。

如果不进行第一步的请求应答工作，读写器对卡片的其他操作(Read/Wrtie等)将不会进行。卡片的类型(TagType)号共2个字节，可能为:0004H。

(2)防重叠功能模块(AntiCollision):

如果有多张MIFAREI卡片处在CI卡读写器天线的工作范围之内时， AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的序列号。由于MIFAREI卡片每一张都具有其唯一的序列号，绝不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已选的卡片。卡片读写器中的AntCiolhsion防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。

AntiCollision (防重叠功能)模块启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号Serial Number。序列号Serial Number存储在卡片的Block 0中，共有5个字节，

实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号Serial Number的校验字节。序列号Serial Number中实际有用的4个字节，可能为:007e0a42H。

(3)选择模块Select Applieation):

主要用于卡片的选择，当卡片与读写器完成了上述的两个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“Select”操作，以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在Block O中的卡片的容量“Size”字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，将明确可以对卡片进行进一步的操作了。例如，可以进行密码校验等等。读写器收到的“Size”字节可能为: 88H。

(4)认证及存取控制模块(Authentication & Access Conrtol):

在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上己经设置的密码进行三级认证，如果匹配，则允许进一步的Raed/Write操作。

MIAFREI卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干

涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。

(5)控制及算术运算单元(Control & Arithmetic Unit):

这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片中内建的中央微处理机(MCU)单元，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单元进行微操作控制，协调卡片操作的各个步骤;同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，CRC运算处理等。

(6)RAM/ROM单元:

RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储。如果某些数据需要存储到EEPROM中，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中;如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过舒射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。RAM中的数据在卡片失掉电源后(卡片离开读写器天线的有效工作范围内)将被清除。

同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制，使卡片能有条不紊地与卡片读写器进行数据通信。

(7)数据加密单元(Cyrpto Unit):

该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为DES标准算法或其他。

(8)存储器及其接口电路(EEPROM Interafee/EPROM Memory):

该单元主要用于存储数据，EEPROM中的数据在卡片失掉电源后(卡片离开读写器天线的有效工作范围内)仍将被保持，用户所要存储的数据被存放在该单元中。

2.2.2 MIFARE1卡片的存储结构

MIFARE1卡片的存储容量为8192 bit×l位字长(即1K×8位字长)，采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区0-15。每个扇区有4个块(Block)，分别为块0，块1，块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有16Byte×4=64Byte。如下图2-3所示:

图2-3 MIFAREI卡片的存储结构

每个扇区的块3(即第四块)包含了该扇区的密码A(6个字节)、存取控制 (4个字节)、密码B(6个字节)，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。

但扇区0的块0是特殊的，是厂商代码，已固化，不可改写。其中:

.第0-4个字节为卡片的序列号;

.第5个字节为序列号的校验码;

.第6个字节为卡片的容量“SIZE”字节;

.第7，8个字节为卡片的类型号字节，即Tagtype字节;

.其他字节由厂商另加定义。

3 智能门禁系统整体设计

3.1智能门禁系统介绍

门禁监控系统的基本组成部分包括前端识别系统、电锁系统、前端控制系统和中央管理系统等四部分，如图3-1所示。

图3-1 门禁系统的基本组成

前端识别系统对出入人员进行特征读取与识别，如读取卡号、密码、指纹等，并将读到的有效信息送往分布式控制系统进行判断。电锁系统是一套机电或电磁系统，它接受分布式控制系统的信息，进行开锁、闭锁动作。前端控制系统也称为控制器或门控器，通常分散安装在门的附近，它对前端识别系统送来的识别信号进行判断，以确定该人员是否具有进出门的权限；若有权限，则向电锁系统发出控制信号，进行开门动作；同时记录各种事件信息及产生报警，并通过通信接口将事件与告警信息送往中央管理系统。前端控制系统是门禁系

统的核心，它承担着门禁的绝大部分控制和管理功能；其功能和性能在很大程度上决定着整个门禁系统的性能。中央管理系统是一套计算机管理系统，它通过通信网络与各前端控制系统相连，接收、存储各种事件和报警信息并可进行检索，参数设定，以及人员、区域、时间等的管理，进行远程操作。此外，一个完善的门禁系统还包括电源、门磁开关、出门按钮、报警器，红外探测器等许多附属设备。

门禁系统的设备主要有由读卡器，非接触卡，电磁锁，门锁开关，监控面板，手动按钮，计算机及系统软件组成。门禁监控系统硬件部分应当具备的功能有：

(1)自动记录人员出入情况，限制内部人员的进出区域和进出时间，拒绝未授权的来客，并发出报警信息。

(2)系统的每个远端监控面板(控制器)通过总线方式与控制中心实时联系，记录所有进出人员的信息，包括人员姓名、进出时间、进出方式、区域。

(3)如果发生火灾等意外时，各个远端智能控制器能同时全局联动，打开所有的门以紧急疏散人群并发出报警信号，控制器对于非法闯入事件，胁迫开门等也会采取报警并处理。

(4)系统在不联机的状态下（无后台监控软件支持），可以对卡片持有者进行各种权限的授权，包括访问时间，区域等。

3.2功能需求分析

3.2.1设计目标

本次设计要求智能门禁系统能够有效地对出入口进行安全管制，系统可自检查询各个输入端口状态，如有异常则报警，如有用户刷卡，则进行权限验证，根据验证结果发出相应的输出动作信号，并对系统运行过程中产生的事件进行记录和管理。上位机管理系统可通过网络对控制器进行参数配置和监控，控制器在参数配置完成之后，可独立完成对门禁管制区域的监控。

3.2.2功能需求

本次系统设计具体的功能需求如下：

(1)刷卡开门：用户进入门禁管制区域时需刷卡，读卡器读取信息后，将信息传输到主机，主机首先判断该信息是否合法，如合法则发出开门指令，不合法则发出报警，同时记录用户刷卡事件。

(2)按钮开门：对于安全级别较低的门禁管制区域或者不需双向管制的区域，用户可选择按钮开关门。

(3)报警功能：如发生控制器异常、非法卡开门、强制开门、开门超时、读

卡器或者控制器被破坏等事件时则系统将发出报警信号、并记录事件。

(4)定时事件：系统可设置定时事件，对某些门禁管制区域实施定时开关门处理。

(5)局域网互联功能：门禁控制器可通过局域网与管理系统互联，共同完成对出入口的监控和管理。上位机管理系统可对控制器进行参数的设置和初始化，并对控制器的记录进行收集管理，可增加、删除、更新用户信息，节假日信息、时段信息等。

(6)远程控制：门禁管理系统通过网络可远程控制门锁的开启和关闭。

(7)实时监控：门禁管理系统实时监控各个门的状态和用户的刷卡信息。

(8)时间校正：上位机管理系统可对门禁控制器进行时间的校正。

(9)记录存储功能：系统可将门禁控制器运行产生的所有用户刷卡事件、报警时间等记录，便于进行用户的考勤管理和发生事故后及时进行处理。

3.2.3性能要求

(1)系统的实用性

智能门禁系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需要偏离太远。因此，系统的实用性是首先应遵循的设计原则。而且，前端识别控制设备和系统软件要有良好的操作性和学习性。特别是操作性，必须使具备初级电脑知识的管理人员，通过简单的培训就能掌握系统的操作要领，达到完成值班任务的操作水平。

(2)系统的主动性

智能门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是其改变了以往安防产品如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以“主动控制”替代了“被动监视’，通过对主要通道的控制有效地防止了罪犯从正常通道的侵入。并且可以在罪案发生时，通过对通道门的控制来限制罪犯的活动范围，从而制止犯罪或减少损失。

(3)系统的实时性

智能门禁系统必须对当时所发生的各种事件做出及时恰当的反应，尤其是对于那些非正常的变故，必须马上做出防范措施，并向管理中心发送报警信息.因此，实时性同样也是系统设计的重要考虑因素之一。

(4)系统的可靠性

系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备恢复数据的功能。

(5)系统的完整性

一个完整的智能门禁系统是建筑整体形象的重要标志。功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。

(6)系统的安全性

智能门禁系统中的所有设备及配件除了能够满足可靠运转的要求之外，还应符合中国或国际有关的安全标准，并且可以在非理想环境下有效工作。

(7)系统的可扩展性

智能门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化，因此智能门禁系统的设计与实施应考虑到将来扩展的实际需要。即:可灵活增减或更新各个子系统，满足不同时期的需要，保持长时间领先地位。

(8)系统易维护性

智能门禁系统的维护工作应该简单易行，无需使用过多的专用工具。整个系统的维护是在线式的，不会因为部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。

总而言之，智能门禁系统首先要求稳定，这是门禁系统最为重要，也是最为基本的要求。其次，功能上还要具有一定的先进性，以适应未来发展的需要。

3.3总体设计

3.3.1系统组成

智能门禁系统由监控面板、上位机管理系统、读卡器、电锁、门磁、开门按钮、警报器、网络传输设备等组成。其系统结构如图3-2所示。

监控面板是本次系统设计功能的核心，而它的软件设计是课题研究的重点。它负责监视端口信号输入和读卡器的输入，并根据输入的数据进行相应的控制。监视的信号包括：门磁状态、按钮状态和读卡器的输入等信号的监视，输出信号主要包括：开/关门信号、报警信号，用于打开/关闭门和启动报警器报警。控制器接受管理系统的配置信息，对本身运行的参数进行设置，配置信息包括：控制器的网络参数（IP地址、端口、网关、掩码等）、用户基本信息、节假日参数、时区参数、防区参数等，也可接受远程控制命令，进行远程控制和实时监控。

上位机管理系统负责控制器的参数配置，如端口参数、读卡器参数、用户数据、节假日时段等的设置，并对监控面板上传的记录进行收集管理，可对监控面板实施远程控制和实时监控。

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