基于STM8L的門鎖控制和狀態(tài)識別*

高小明

(西南科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,綿陽 621010)

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高小明

(西南科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,綿陽 621010)

門禁系統(tǒng)是一種管理人員進(jìn)出的數(shù)字化智能系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控門的狀態(tài)和合法用戶的進(jìn)出狀況，防止非法用戶強(qiáng)制闖入。門禁系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一部分，在現(xiàn)代安防領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，也給用戶的使用和管理帶來了極大的便利性、高效性和安全性。本文介紹了利用具有超低功耗的STM8L微控制器為控制核心，設(shè)計了基于125 KHz的射頻讀卡模塊，采用EM4100系列ID卡作為用戶身份識別卡，實現(xiàn)了對門鎖的控制和狀態(tài)的識別，并通過總線方式與服務(wù)器進(jìn)行通信。實踐表明，該系統(tǒng)整體功耗低、性能穩(wěn)定、使用安全、管理方便。

門禁控制系統(tǒng)；射頻識別；STM8L；總線通信；安防

引 言

在現(xiàn)代安防領(lǐng)域，門禁系統(tǒng)是安防自動化系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，它對房間的出入口進(jìn)行有效控制，通過身份認(rèn)證的方式，允許合法人員的進(jìn)出。門禁控制器主要實現(xiàn)用戶身份信息的讀取、合法身份比對、門鎖的控制、與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等功能。本系統(tǒng)利用ST公司的基于STM8L的超低功耗微控制器為主控芯片，采用125 kHz的具有唯一標(biāo)識的ID識別卡作為用戶身份卡，并自行設(shè)計了ID卡讀卡器及卡號解碼程序，結(jié)合門鎖控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的管理與控制。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

門禁控制器主要通過讀取用戶ID身份信息，通過與本機(jī)合法ID數(shù)據(jù)列表進(jìn)行比對，并根據(jù)比對結(jié)果進(jìn)行門鎖的控制，并將操作數(shù)據(jù)傳輸給門禁服務(wù)器。本方案采用本地控制器存儲合法用戶的模式，一方面可以保證用戶使用的實時性，另一方面可以保證即使在通信系統(tǒng)或服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下，依然能夠進(jìn)行門禁的正常操作。服務(wù)器系統(tǒng)僅用于ID卡號的添加、刪除、權(quán)限管理、事件查詢等功能。

微控制器(MCU)采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6，該MCU采用了全新的超低漏電工藝和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)，集高性能與低功耗于一體，具備4種超低功耗工作模式，可以滿足6 μA以內(nèi)需要連續(xù)使用的要求，以及對低功耗有特殊要求的多種應(yīng)用。

讀卡器采用自行設(shè)計的低功耗125 kHz射頻卡讀卡器，讀寫距離在5～10 cm,能夠滿足日常用戶使用的需要。系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電路系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ID卡讀卡器電路

ID卡采用一種非接觸、無源的射頻識別技術(shù)，利用射頻信號及空間信號耦合傳輸特性，實現(xiàn)ID卡與讀卡器之間的數(shù)據(jù)交互。ID卡作為應(yīng)答器，內(nèi)部本身不需要電池，內(nèi)部所需要的電量全部來源于應(yīng)答器與讀卡器通過線圈耦合獲取能量。因此，讀卡器的天線直接影響到應(yīng)答器的通信質(zhì)量，其實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 無線識別系統(tǒng)框圖

為保證達(dá)到最佳通信效果，讀卡器的天線回路與應(yīng)答器的天線回路工作處于諧振狀態(tài)，這樣耦合功率最高，否則，將大大降低系統(tǒng)的性能。讀卡器與應(yīng)答器的兩個天線回路L1、L2之間的互感系數(shù)定義如下：

(1)

天線回路的耦合系數(shù)定義為：

(2)

互感系數(shù)描述了兩個回路通過磁場產(chǎn)生的耦合情況。耦合系數(shù)在0≤K≤1的極限范圍內(nèi)變化。K隨距離的變化而變化，當(dāng)K=0時由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦；K=1處于全耦合狀態(tài)。為保證可靠的通信，在5～10cm范圍內(nèi)，應(yīng)保證K盡可能大。

ID卡讀卡器主要包括發(fā)射電路和接收電路兩個部分，發(fā)射部分用于驅(qū)動產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)125kHz載波信號，接收部分用于從載波信號中提取用戶ID卡唯一編號。載波發(fā)射驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 載波發(fā)射驅(qū)動電路

應(yīng)答器在接收到讀卡器的載波信號后，耦合產(chǎn)生電能，并將ID卡號通過天線傳輸出去，接收電路將收到帶有數(shù)據(jù)信息的載波信號，通過對信號濾波、檢波、整流、比較放大等處理，提取數(shù)據(jù)信息，射頻識別接收電路如圖4所示。

圖4 射頻識別接收電路

為保證信號處于完全耦合狀況，天線設(shè)計至關(guān)重要，本系統(tǒng)采用漆包線緊密繞制而成，回路處于諧振狀態(tài)，則：

(3)

而天線的電感與線圈的直徑、導(dǎo)體直徑等相關(guān)，繞制線圈的電感值由以下公式確定：

(4)

其中：N表示線圈繞制匝數(shù)；μ0表示磁場常數(shù)；R表示線圈半徑；d表示導(dǎo)體直徑。

在f=125kHz的情況下，根據(jù)式(3)、(4)確定諧振情況下的電感值L，然后根據(jù)電感及實際應(yīng)用環(huán)境繞制合適的天線。天線接收ID卡信息后，通過一系列電路處理后，最終以數(shù)字信號的形式輸出，該信號可直接連接到微控制器的端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

2.2 微控制器系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6，該芯片內(nèi)部集成了1個8位定時器、3個16位定時器，并且所有GPIO均可以配置成中斷模式，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)部集成的串口可用于門控制器與服務(wù)器的通信。本系統(tǒng)微控制器部分電路如圖5所示。

圖5 微控制器系統(tǒng)電路

實際應(yīng)用中，系統(tǒng)采用了該微控制器芯片內(nèi)部自帶的一個16 MHz的RC振蕩器，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗，利用一個32.768 kHz的外部石英晶振，用于系統(tǒng)內(nèi)部實時時鐘。

2.3 門鎖控制電路

圖6 電機(jī)鎖控制電路

門鎖控制電路主要實現(xiàn)電機(jī)鎖的開啟、關(guān)閉狀態(tài)的識別，本系統(tǒng)采用了浙江宏泰電子設(shè)備有限公司的靈性鎖。該鎖采用12 V電源供電，利用兩根數(shù)據(jù)線L+、L-控制開啟，利用S+、S-反饋狀態(tài)，微控制器通過相應(yīng)的驅(qū)動隔離電路直接與這4根線進(jìn)行通信。其電路如圖6所示。

2.4 通信電路

通信電路主要實現(xiàn)門控制器與控制主機(jī)的通信，主機(jī)實現(xiàn)對整棟樓所有門控制器的管理。在實際應(yīng)用中，采用RS485總線型通信方式，門控制器端采用串口轉(zhuǎn)RS485的形式實現(xiàn)通信，其電路如圖7所示。

圖7 RS485總線通信電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 ID卡數(shù)據(jù)解碼

125 kHz的典型ID卡主要是瑞士的EM4100系列、臺灣的4001系列，該類型ID卡內(nèi)部有64位激光可編程ROM，采用曼切斯特碼進(jìn)行調(diào)制，單個數(shù)據(jù)位的寬度為512 μs，其數(shù)據(jù)結(jié)格式如圖8所示。

圖8 ID卡數(shù)據(jù)格式

ID卡ROM中的數(shù)據(jù)以連續(xù)的9個“1”作為頭數(shù)據(jù)，用于讀取數(shù)據(jù)時同步，D00～D90為ID卡號數(shù)據(jù)，具有唯一編號，P0～P9為對應(yīng)的行校驗位，C0～C3為對應(yīng)的列校驗位，最后以0結(jié)束。

根據(jù)曼徹斯特編碼原則，上升沿對應(yīng)的位表示數(shù)據(jù)“0”，下降沿對應(yīng)的位表示數(shù)據(jù)“1”，因此，利用微控制器端口邊沿觸發(fā)中斷和定時器延遲計算相結(jié)合的方式實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的采集，在利用曼徹斯特編碼規(guī)則將采集的數(shù)據(jù)還原成用戶ID卡號，處理流程略——編者注。

3.2 門禁控制器處理軟件

處理軟件主要實現(xiàn)用戶權(quán)限的管理、門鎖的控制、門鎖狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，在平時待機(jī)狀態(tài)下則轉(zhuǎn)入到低功耗模式，以節(jié)省電能。整機(jī)工作流程略——編者注。

4 方案測試結(jié)果

4.1 測試目標(biāo)、方法與儀器

根據(jù)上面敘述的方法設(shè)計并實現(xiàn)了該套系統(tǒng)，并部署在我院辦公大樓，單門個數(shù)達(dá)99個，并經(jīng)過了長期應(yīng)用測試。針對單個門禁控制器性能做了如下測試，見表1。

表1 測試目標(biāo)、方法與儀器

4.2 測試結(jié)果

在測試中，采用標(biāo)準(zhǔn)的ID卡測試卡面與讀卡器天線之間能夠正常通信的距離，在讀卡正常的情況下統(tǒng)計ID卡的誤碼率，并測試了服務(wù)器與門禁控制器的通信可靠性。測試結(jié)果如表2所列。

表2 測試結(jié)果

4.3 測試結(jié)果分析

上述測試中采用了4個不同的模塊，對每個模塊進(jìn)行了測試，正常情況下ID卡的識別距離均能達(dá)到11 cm，在距離較遠(yuǎn)的情況下，誤碼率比較高。

同時在門狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，由于系統(tǒng)中斷的原因，也會產(chǎn)生一定的誤碼率，在正常使用的情況下，刷卡出現(xiàn)誤碼的概率極低，完全能夠滿足正常使用的需要。對系統(tǒng)通信進(jìn)行了長達(dá)數(shù)十小時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計測試，未發(fā)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)丟失和錯誤的情況，與數(shù)據(jù)傳輸波特率較低(1 200 bps)有一定關(guān)系。實驗證明，該系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。

結(jié) 語

本文介紹了采用ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L052C6設(shè)計門禁控制器的原理及方法，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，安裝方便，目前已投入正常使用。

且在使用中也經(jīng)歷了雷雨天氣的考驗，經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)完全能夠滿足辦公樓群及智能小區(qū)門禁控制的需要，系統(tǒng)使用安全、管理方便，具有較大的市場應(yīng)用空間。

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高小明(碩士)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字信號處理、嵌入式圖像處理。

Gao Xiaoming

(School of Computer Science and Technology, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China)

Gate-guarding system is a smart digital system which is used to control the access of people.It can monitor the state of the doors and the legal users in real time, and then prevents the illegal users breaking in the door. As part of the smart home furnishing system, the gate-guarding system plays an important role in modern security field, and it also brings convenience, effectiveness and safety to the using and administration of the users. This paper introduces a design using the ultra-low power STM8L microcontroller as the controlling center, and a 125 kHz radio frequency card reader module is implemented using EM4100 series ID card as user’s identity to control the lock and recognize the states, and the communication with the server is carried on through bus. The experiment results show that the system is low power consumption, stable in functioning, safe to use and easy to administrate.

gate-guarding system； RFID； STM8L；bus communication；security

國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號：61202044)。

TP273.5

A

迪娜

2013-12-24)