以太網供電技術在門禁系統中的應用

劉 敏，李文龍

(天津環球磁卡股份有限公司，天津 300202)

結構化布線是當今所有數據通信網絡的基礎。隨著許多新技術的發展，數據網絡得以提供越來越多的新應用及新服務：如在不便于布線或者布線成本比較高的地方用戶開始考慮在現有以太網絡架構之上盡可能布置一些網絡安全攝像機及其他一些網絡安全設備。

目前此類新的應用已經越來越被用戶所接受，并且得到了快速的發展。所有這些支持新應用的設備由于需要另外安裝AC供電裝置，特別是IP網絡攝像機、門禁等都是安置在距中心機房比較遠的地方更是加大了整個網絡組建的成本。為了盡可能方便及最大限度地降低成本，電子電氣工程師協會IEEE批準了一項新的以太網供電(PoE)標準IEEE 802.3af[1]，確保用戶能夠利用現有的結構化布線為此類新的應用設備提供供電能力。

1 PoE以太網供電系統

一個完整的PoE系統包括供電端設備（PSE）和受電端設備（PD）兩部分,兩者基于 IEEE802.3af標準建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、功耗級別等方面的信息聯系，并以此為根據控制供電端設備PSE通過以太網向受電端設備PD供電。

供電端設備PSE可以是一個 Endspan(內置了PoE功能的以太網供電交換機)和 Midspan(用于傳統以太網交換機和受電端設備PD之間的具PoE功能的設備)兩種類型，而受電端設備PD則是一些具PoE功能的無線局域網AP、IP電話機等終端設備。

按照 IEEE 802.3af的規范，供電端設備PSE與受電端設備PD設備的連接參數如圖1所示。

圖1 PSE和PD的互連

IEEE 802.3af以太網供電標準定義了一些在設計PoE網絡時必須遵循的參數：

(1)操作電壓一般情況下為 48 V DC，但其也許可能在44 V DC～57 V DC之間，但無論如何是不能超過60 V DC的；

(2)由PSE產生的最大電流一般情況下在350 mA～400 mA之間變化。這將確保以太網電纜不會由于其本身的阻抗而導致過熱；

(3)上述兩個值使得PSE在其端口輸出會產生最小15.4 W的功率輸出，考慮到經過以太網電纜后的損耗，受電端設備PD所能接受到的最大的功率為12.95 W。

2 以太網供電工作過程

供電端設備PSE是整個POE以太網供電過程的管理者。在一個網絡中布置PSE供電端設備時，PoE以太網供電工作過程如下：

(1)檢測過程。開始時，PSE設備在端口只是輸出很小的電壓，直到其檢測到線纜的終端連接為一個支持IEEE 802.3af標準的受電端設備。

(2)PD端設備分類。當檢測到受電端設備PD之后，供電端設備PSE可能會為PD設備進行分類，并且評估此PD設備所需的功率損耗。

(3)開始供電。在一個可配置的啟動期內(一般小于15 μs)，PSE設備開始從低電壓開始向 PD設備供電，直至提供到 48 V級的直流電源。

(4)供電。為PD設備提供穩定可靠的48 V級直流電，滿足PD設備不越過15.4 W的功率消耗。

(5)斷電。如果PD設備被物理或者電子上從網絡上去掉，則 PSE會快速地(一般在 300 ms～400 ms之內)停止為PD設備供電，并且又開始檢測過程，檢測線纜的終端是否連接PD設備。

在整個過程當中，一些事情如PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等會造成整個過程在中間會中斷，又會從第一步檢測過程開始。

3 以太網供電門禁系統

如圖2所示，以太網供電門禁控制系統由系統服務器、多臺分散的終端管理計算機、網絡交換機、跨接器、門禁讀卡控制設備和電控門鎖等組成。門禁讀卡控制設備采用以太網方式與交換機相連，實現了網絡設備即插即用，無需外接電源，便于安裝和維護。即插即用的安裝方式極大地減少了人工成本，并且實現了通過在線訪問系統進行有效的控制。當一臺門禁讀卡控制設備發生故障時，系統會及時發現，并且不會殃及整個系統。當網絡發生故障時，門禁讀卡控制設備可進入“孤島狀態”運行，降低了受破壞的風險，增強了可靠性。

以太網供電門禁控制系統對網絡內所有的門禁讀卡控制設備均可做全局化處理，可分權限地對門禁讀卡控制設備進行遠程控制。因此，以太網型門禁控制系統的組態是非常靈活和經濟的組網方案。

以太網供電門禁控制系統可具有系統實時自檢功能。對于系統中的典型故障（如斷網），中央工作站和門禁控制讀卡器均可以聲音信號和文字告警提示。在系統斷網故障時,各點的門禁控制讀卡器可以獨立工作,并且可以記錄刷卡開門信息，當故障排除后，信息會自動上傳。

以太網供電門禁控制讀卡器提供RJ-45標準接口，采用TCP/IP標準通信協議，可與其他系統聯接，組成一個大的智能管理系統，此外,系統還可開放必要的通信協議以便進行更高層次的集成。

4 門禁控制讀卡器硬件設計

門禁控制器原理圖如圖3所示。

圖3 門禁控制器原理框圖

(1)微處理器（MPU）：CPU采用高速 8 bit SST89C516微處理器，內含32 KB程序區、256 B RAM區、可擴展64 KB外部數據區。

(2)具有非接觸式射頻通信接口，支持符合ISO14443國際標準的非接觸 IC卡（MIFARE ONE，TYPE A）；可支持基于MIFARE PRO技術的雙界面CPU卡。

(3)內置大容量 EEPROM存儲器，容量為 16 KB，可存儲16 B記錄1 000條，存儲數據可保存10年以上。

(4)內置以太網模塊，支持TCP/IP等網絡協議，用于實現遠距離信息傳輸（數據上傳、黑名單下載、校正時間、參數下載等）。

(5)門控器表面可配置 128×64點陣液晶（帶背光），可顯示 4×8漢字（或 4×16字符、數字），用于顯示日期、時間、提示信息、卡信息、門鎖狀態信息等內容。

(6)具有內部硬件掉電保護實時時鐘，誤差不大于60 s/月，無千年蟲或其他跨年跨月等時間問題。

(7)支持IEEE802.3af以太網供電。

5 系統總體軟件設計

根據實際情況，采用感應式IC卡控制出入口，實行入口刷卡開門，電腦可以實時監控，使出入口管理方便、安全、高效。系統軟件模塊圖如圖4所示。

圖4 系統軟件模塊圖

本系統在每個進門處安裝一個非接觸IC卡門控器，在出門的另一端安裝出門按鈕，在門上安裝電鎖（電磁鎖或者電插鎖，根據情況選擇）。這些設備和系統服務器、終端管理計算機、網絡交換機組成一個以太網絡，形成一個穩定的門禁管理系統。系統的門狀態、用戶門禁權限、用戶資料和智能卡的注冊都由管理電腦完成[2-5]。

本系統不僅對系統外的非法卡進行“攔截”，還可以對系統內合法人員經過出入口的時間和門禁點進行記錄管理。

5.1 進門設備及流程

入口設備是非接觸IC卡門控器。門控器在工作狀態下，會以一定的頻率進行掃描，當檢測到智能卡時，會把檢測到的信息進行數據處理，同時對數據進行運算并執行命令操作。如果是合法的信息，則允許其通行；若為非法信息則“攔截”下來，還可以蜂鳴器進行聲音報警，并上傳系統。

5.2 出門設備及流程

出門設備主要是出門開關。簡單的出門控制只需要提供一個開關量給控制器，當控制器的出門按鈕端子接收到一個開關信號時，控制器就會改變相應門的門鎖輸出端子狀態，實現控制門的開關功能。

以太網供電在門禁系統中的應用為用戶帶來的好處是顯而易見的。由于它只需要安裝和支持一條而不是兩條電纜，隨著與以太網相連的設備的增加，無需為數百或數千臺設備提供本地電源，將大大降低部署成本，并簡化其可管理性。另外以太網供電端設備只會為需要供電的設備供電。只有連接了需要供電的設備，以太網電纜才會有電壓存在，因而消除了線路上漏電的風險。以太網供電在門禁系統中的應用，使用戶可以在當前的以太網設備上融合新的供電裝置，并可以在現有的網線上提供48 V直流電源，降低了網絡建設的總成本，保護了投資。

[1]國際標準IEEE Std 802.3af[S].2003.

[2]飛利浦公司.MF RC500 Highly Integrated ISO14443A Reader IC[M].2002.

[3]KROWCZYK A，KUMAR V..NET網絡高級編程[M].吳旭超，譯.北京：清華大學出版社，2003.

[4]飛利浦公司.P89C60X2_61X2_2DataSheet[M].2003.

[5]FINKENZELLER K.射頻識別(RFID)技術-無線電感應的應答器和非接觸 IC卡的原理與應用[M].陳大才，譯.北京：電子工業出版社，2001.