基于通信器S1503的門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)基于通信器S1503的門禁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及組成部件進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述；介紹了系統(tǒng)核心部件——通信器S1503的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原理以及標(biāo)簽S1251的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析和討論；最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了必要的說(shuō)明。

    關(guān)鍵詞：門禁系統(tǒng) S1503 通信器 通信編程

門禁系統(tǒng)是對(duì)出入口通道進(jìn)行管制的系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是射頻通信識(shí)別技術(shù)、智能卡技術(shù)和生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)也得到了飛躍式的發(fā)展，出現(xiàn)了智能卡門禁系統(tǒng)、指紋門禁系統(tǒng)和面部識(shí)別門禁系統(tǒng)等各種系統(tǒng)。它們?cè)诎踩�性、方便性和易管理性等方面各有特長(zhǎng)，是確保各重要部門出入口安全的有效措施，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。

本文設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)是武警部隊(duì)車輛信息綜合管理系統(tǒng)課題（武警部隊(duì)立項(xiàng)課題）的一部分。該系統(tǒng)是基于射頻通信識(shí)別技術(shù)的單機(jī)控制型門禁系統(tǒng)。它以CONFIDENT自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)部隊(duì)單位的車輛進(jìn)出停車場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理。CONFIDENT系統(tǒng)的基本部件包括電子標(biāo)簽、通信器和主機(jī)。在本系統(tǒng)中，通信器采用瑞典TagMastr AB公司生產(chǎn)的S1503，電子標(biāo)簽采用S1251，主機(jī)是車場(chǎng)調(diào)度室的計(jì)算機(jī)。CONFIDENT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
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1 通信器S1503

通信器是門禁系統(tǒng)的核心部件，直接管理和控制門禁系統(tǒng)的所事務(wù)；此外，還負(fù)責(zé)與主機(jī)進(jìn)行通信來(lái)交換信息。本系統(tǒng)采用的S1503是長(zhǎng)距離通信器，工作頻率為2.45GHz，具有圓極化天線波束的讀寫工作站，用于讀寫CONFIDENT系統(tǒng)中射頻識(shí)別標(biāo)簽，在車輛收費(fèi)管理、車場(chǎng)車輛進(jìn)出口管理以及列車車次識(shí)別等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是：（1）具有6m的長(zhǎng)閱讀距離；（2）能進(jìn)行5m范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；（3）提供C、Delphi以及VB的驅(qū)動(dòng)接口程序；（4）提供與主機(jī)通信的RS232和2/4線制的RS485接口。S1503的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1 S1503軟件系統(tǒng)

S1503的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

Confilib:CONFIDENT函數(shù)庫(kù)名，該庫(kù)中包含幾百個(gè)通信器管理函數(shù)以及ConfiTalk通信協(xié)議接口函數(shù)。同時(shí)提供適合于DOS、Windows3.1以及Windwos 95/NT等不同平臺(tái)要求的Confilib版本。PC平臺(tái)的Confilib應(yīng)用程序接口以C/C++動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的形式提供，同時(shí)也提供Visual Basic、Delphi語(yǔ)言接口，適用于通信器的Confilib是C語(yǔ)言庫(kù)。這些函數(shù)庫(kù)包含諸如閱讀、寫入、格式化標(biāo)簽，讀、寫、檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，軟、硬件設(shè)備，讀、寫I/O接口，發(fā)送、接收ConfiTalk命令，定時(shí)器，緩存區(qū)管理和郵件管理等函數(shù)。

圖2 S1503硬件結(jié)構(gòu)方框圖

    ConfiTalk：標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定通信器傳送和接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)流、重復(fù)傳送、校驗(yàn)以及數(shù)據(jù)透明的方式。該協(xié)議還可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信，并采用查詢方式。用戶可自己編寫通信協(xié)議來(lái)替代ConfiTalk。

Pyramid:通信器S1503出廠時(shí)預(yù)裝的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。安裝了Pyramid的S1503在閱讀在標(biāo)簽或檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠自己作出判斷和決定。S1503還可以通過(guò)串行接口接收并執(zhí)行ConfiTalk命令。

1.2 S1503編程控制原理

在CONFIDENT系統(tǒng)中，如何編程控制通信器是關(guān)鍵，有四種控制方式可供選擇。

（1）利用用戶編寫的通信器應(yīng)用程序

該方式是利用用戶在Confilib庫(kù)函數(shù)基礎(chǔ)上編寫的應(yīng)用程序取代標(biāo)準(zhǔn)通信器應(yīng)用程序Pyramid，所有邏輯判斷均由用戶所編寫的通信應(yīng)用程序完成。主機(jī)可不定期地連接到通信器上讀取通信器記錄信息，并更新通信器數(shù)據(jù)庫(kù)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行速度快、可單機(jī)運(yùn)行；缺點(diǎn)是：需要PROM寫入器、缺少方便的界面。

    （2）利用Confilib庫(kù)函數(shù)開發(fā)的主機(jī)應(yīng)用程序

在該方式中，通信器S1503利用Confilib庫(kù)函數(shù)或其它軟件開發(fā)的主機(jī)程序進(jìn)行控制，系統(tǒng)的智能部分在主機(jī)，通信器不做任何邏輯判斷。當(dāng)主機(jī)應(yīng)用程序調(diào)用Confilib函數(shù)時(shí)，自動(dòng)將Confilib命令翻譯成ConfiTalk命令，然后傳遞給S1503，S1503根據(jù)該命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的Confilib命令。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：與通信器應(yīng)用程序Pyramid控制方式相比，擁有更加方便的界面，主機(jī)應(yīng)用程序更加便于開發(fā)、調(diào)試；缺點(diǎn)是：執(zhí)行速度慢。

（3）利用主機(jī)應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)通信器應(yīng)用程序Pyramid通信

這種方式與第二種方式相似，主要區(qū)別在于主機(jī)與S1503的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序Pyramid通信，而不是直接同Confilib通信。主機(jī)應(yīng)用程序與通信器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序通過(guò)互送郵件實(shí)現(xiàn)通信。采用這種方式，其優(yōu)點(diǎn)是：主機(jī)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單，部分邏輯判斷可交給通信器應(yīng)用程序，從而獲得較快的運(yùn)行速度；缺點(diǎn)是：Pyramid郵件不支持寫標(biāo)簽和數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。不過(guò)，這些功能可通過(guò)Confilib/Confitalk命令實(shí)現(xiàn)。

（4）利用用戶協(xié)議

這種方式除了通信器中的Confilib之外，所有軟件均由用戶編寫。當(dāng)系統(tǒng)使用ConfiTalk以外的協(xié)議時(shí)，采用這種方式。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)通信器ConfiTalk以外的協(xié)議通信；缺點(diǎn)是編寫程序量大、開發(fā)周期長(zhǎng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)用戶實(shí)際需求，選擇適合要求的編程控制方式。在本系統(tǒng)中，采用了主機(jī)應(yīng)用程序與標(biāo)準(zhǔn)通信器應(yīng)用程序Pyramid通信的控制方式，既保證了系統(tǒng)有較快的執(zhí)行速度，又實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與S1503的信息交換。

1.3 S1503應(yīng)用編程

S1503程序庫(kù)的核心是一個(gè)被稱作事件器的模塊，其絕大部分應(yīng)用是由事件驅(qū)動(dòng)的。事件是指正常程序運(yùn)行以外不定期定義的事件，事件的產(chǎn)生可以來(lái)自外部（如按鍵），也可以來(lái)自內(nèi)部（如定時(shí)器）。Confilib庫(kù)中有七個(gè)模塊產(chǎn)生事件，可能產(chǎn)生的事件包括：DTMF（雙音多頻接口輸入）、Push_Button（通信器控制盤上的按鍵被按下）、Doppler_Radar（多譜勒雷達(dá)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體）、Par_In（并行輸入口輸入）、Timer(設(shè)置的計(jì)時(shí)器到達(dá)時(shí)間)、Tag（成功閱讀到一個(gè)標(biāo)簽）、Tamper_Switch（防護(hù)開關(guān)動(dòng)作）、Null_Event（自上次查詢后，沒(méi)有事件發(fā)生）、Reset_Event（系統(tǒng)復(fù)位）。除防護(hù)開關(guān)動(dòng)作外，其它所有事件模塊必須經(jīng)過(guò)初始化后才能夠產(chǎn)生事件。當(dāng)事件產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)并存入通信器事件處理器，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用Bsw_Event_Handler_Get_Event()從通信器讀取事件，若有事件發(fā)生，該函數(shù)返回其事件類型、相應(yīng)數(shù)據(jù)，否則返回Null_Event。因此，通信器應(yīng)用程序應(yīng)是一個(gè)等待事件的死循環(huán)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，應(yīng)用程序調(diào)用適當(dāng)?shù)氖录�處理程序�?lái)響應(yīng)該事件。在本系統(tǒng)中，考慮到實(shí)現(xiàn)情況和需求，S1503的應(yīng)用程序采用了通信器自帶的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序Pyramid，這樣既保證了系統(tǒng)有較快的運(yùn)行速度，同時(shí)也降低了應(yīng)用編程的難度。

1.4 S1503通信編程

當(dāng)通信器S1503與主機(jī)連接時(shí)，其與主機(jī)要進(jìn)行通信并交換信息，主要有三種方法：（1）利用CONFIDENT庫(kù)函數(shù)所支持的動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)；（2）利用用戶通過(guò)所提供的串行通信接口字節(jié)級(jí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)自定義的通信協(xié)議；（3）利用CONFIDENT軟件庫(kù)提供的郵件交換系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，采用了第三種方法。通信器通過(guò)調(diào)用函數(shù)Msw_Mail_Init、Mws_Mail_Send以及Msw_Mail_Receive等來(lái)使用郵件交換系統(tǒng)。使用郵件交換系統(tǒng)的前提是系統(tǒng)至少有一個(gè)空閑的動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)。在初始化郵件系統(tǒng)時(shí)，函數(shù)將占據(jù)編號(hào)最高的動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)。

2 電子標(biāo)簽S1251

S1251是一種形似信用卡的電子標(biāo)簽，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其工作頻率為2.45GHz，可通過(guò)微波與通信器通信，能夠存儲(chǔ)606位數(shù)據(jù)，相當(dāng)于82個(gè)7位ASCII字符和32位校驗(yàn)和。該標(biāo)簽還可通過(guò)微波器進(jìn)行格式化，用戶可根據(jù)對(duì)內(nèi)存模式、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)模式以及數(shù)據(jù)速率等的要求設(shè)置標(biāo)簽的工作模式。該標(biāo)簽使用對(duì)環(huán)境無(wú)害的鋰電池供電，具有閱讀距離長(zhǎng)和閱讀速度快的特點(diǎn)，且同時(shí)可閱讀多個(gè)標(biāo)簽。在該系統(tǒng)中，每一車輛都有唯一的電子標(biāo)簽與之一一對(duì)應(yīng)。車輛的有關(guān)信息（包括唯一標(biāo)識(shí)號(hào)）存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，通信器通過(guò)與電子標(biāo)簽進(jìn)行微波通信來(lái)識(shí)別標(biāo)簽并對(duì)車輛進(jìn)行管理。

電子標(biāo)簽S1251不停地將數(shù)據(jù)反射到任何CONFIDENT通信器（在該系統(tǒng)中為S1503），不管通信器工作在工作頻率為2.435～2.465GHz范圍內(nèi)的哪一個(gè)頻道，只要S1251在通信器天線波束范圍內(nèi)，則通信器均能夠讀到標(biāo)簽信息。標(biāo)簽反饋到通信器的信息包括出廠前指定的標(biāo)簽的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)、讀/寫標(biāo)簽的“數(shù)據(jù)”以及標(biāo)簽的“狀態(tài)”域。上述標(biāo)識(shí)號(hào)、數(shù)據(jù)以及狀態(tài)域構(gòu)成標(biāo)簽的“識(shí)別信息幀”。標(biāo)簽的識(shí)別信息幀格式化由固定的間隔或隨機(jī)的間隔隔開。兩個(gè)相鄰的識(shí)別信息幀連同其中的間隔稱為“信息時(shí)間”。當(dāng)S1251被格式化為隨機(jī)間隔時(shí)，在同一天線波束內(nèi)可同時(shí)閱讀多個(gè)標(biāo)簽；若同一通信器天線波束內(nèi)有四個(gè)以上的標(biāo)簽時(shí)，則應(yīng)將標(biāo)簽的識(shí)別信息幀之間的間隔設(shè)置長(zhǎng)一些，以免發(fā)生識(shí)別錯(cuò)誤（主要指替代錯(cuò)誤）。

3 門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件組裝和軟件編程。硬件組裝

主要包括車場(chǎng)調(diào)度室計(jì)算機(jī)與通信器的連接，通信器、電子標(biāo)簽以及電動(dòng)門的安裝等。通信器與主機(jī)最好采用屏蔽電纜連接。通信器的安裝應(yīng)注意使通信器天線波束覆蓋整個(gè)車場(chǎng)大門，最好安裝在門口旁邊；電子標(biāo)簽安裝在車輛前面的擋風(fēng)玻璃下方，以便與通信器進(jìn)行通信。電子標(biāo)簽在安裝前最好進(jìn)行初始化，在該系統(tǒng)中，初始化工作是通過(guò)通信器自帶的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序Pyramid手工輸入完成的。為了確保系統(tǒng)有較快的處理速度，通信器由自帶的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序Pyramid控制，主要完成系統(tǒng)和電子標(biāo)簽的初始化以及電子標(biāo)簽的檢測(cè)等。故在該系統(tǒng)中，軟件編程主要是指通信器與主機(jī)的通信編程。

3.1 硬件連接結(jié)構(gòu)

門禁系統(tǒng)包括通信器（S1503）、電動(dòng)門和若干標(biāo)簽（S1251）。硬件連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。S1503通過(guò)串行口與主機(jī)相連，并且通過(guò)繼電器對(duì)電動(dòng)門實(shí)現(xiàn)控制。

3.2 工作原理

通信器內(nèi)有數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)部存有合法車輛的車牌號(hào)信息和車輛唯一標(biāo)識(shí)碼，電子標(biāo)簽安裝在車輛前擋風(fēng)玻璃內(nèi)適當(dāng)位置并與車輛一一對(duì)應(yīng)，主要是記錄每個(gè)車輛的信息數(shù)據(jù)（包括唯一標(biāo)識(shí)碼）。在通信器的控制范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽?zāi)芘c通信器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，傳遞所存儲(chǔ)的信息。通信器通過(guò)微波通信監(jiān)控電子標(biāo)簽來(lái)監(jiān)視車輛的進(jìn)出場(chǎng)動(dòng)作。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有車輛出入時(shí)，通信器接收電子標(biāo)簽所送的信息數(shù)據(jù)，將所收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)是合適車輛后，繼電器閉合，接通電動(dòng)門電源，電動(dòng)門打開，給予放行，并向主機(jī)發(fā)送車輛的進(jìn)出場(chǎng)信息；當(dāng)檢測(cè)到不合法車輛或陌生車輛時(shí)，通信器不接通電動(dòng)門電源，而是向主機(jī)發(fā)送提示信息，發(fā)出聲音警告。

3.3 軟件編程的實(shí)現(xiàn)

軟件編程主要實(shí)現(xiàn)的功能是：通信器檢測(cè)到電子標(biāo)簽后，生成標(biāo)簽記錄；將標(biāo)簽記錄以郵件的形式提交給主機(jī)；主機(jī)接收到郵件后，對(duì)郵件內(nèi)容進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果顯示在主機(jī)屏幕上。

在該系統(tǒng)中，利用CONFIDENT軟件庫(kù)提供的郵件交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信器S1503與主機(jī)的通信。使用郵件交換系統(tǒng)的程序流程圖如圖6和圖7所示。其實(shí)現(xiàn)功能是主機(jī)接收到通信器送來(lái)標(biāo)簽郵件后，立即對(duì)郵件內(nèi)容進(jìn)行處理，并將與標(biāo)簽對(duì)應(yīng)車牌號(hào)顯示在屏幕上。為了避免主機(jī)和通信器同時(shí)控制串行口而產(chǎn)生矛盾，系統(tǒng)規(guī)定：每當(dāng)空格鍵被按下時(shí)，改變通信器的安靜模式。

圖7 通信器通信程序流程圖

    通信器在安靜格式時(shí)閱讀標(biāo)簽事件。并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過(guò)郵件發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)郵件將通信器設(shè)置為非安靜模式并在通信器為非安靜模式時(shí)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)郵件。在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，利用定時(shí)器事件，主機(jī)應(yīng)用程序每隔30秒自動(dòng)輸入空格鍵來(lái)達(dá)到此目的。

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