引言
在IC卡應用日益廣泛的今天，IC卡門禁系統以其門禁管理的安全、可靠、高效、靈活、方便，已逐步取代其他現有各類門鎖，成為目前門禁系統的主流方式。
IC卡門禁系統通常以用戶IC卡的卡號為依據控制門的開啟，為此發卡系統（中央控制PC機）必須將合法卡號（或黑名單）通過網絡下載給所有門禁機。而門禁機也需將開門記錄（卡號與時間）上傳給中央控制PC機以實現各門禁點的集中管理。目前，IC卡門禁系統數據的傳輸基本是基于有線的網絡,如RS485, CAN
等。這些有線網絡施工布線工作量大，網線易受人為破壞，線路損壞后，故障點不易查找，且易受雷擊和過電壓的影響。而數據采用無線傳輸方式又常常面臨無法滿足距離要求的難題,即使滿足代價也非常大。
針對這種情況，本文提出了一種基于多點無線數據傳輸的IC卡門禁系統，采用單片無線收發芯片nRF903，數據采用多點跳傳的方法，每個門禁點在作為本身數據的收發端的同時,又可做為其他門禁點數據的無線轉發中繼站，從而構成不受傳輸距離限制的無線通信鏈路。該系統無需敷設通信線路,以低成本的無線數傳芯片保證足夠的傳輸距離，可靠性高，便于維護，尤其利于現有老社區、舊辦公樓的智能化改造。
1 系統硬件
系統采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN（全球唯一）為依據控制門的開啟。系統工作流程如下：發卡系統（中央控制PC機）將用戶的卡號及個人信息輸入系統數據庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機。當M1卡進入門禁機的有效工作范圍內時，門禁機讀取M1卡的序列號SN，判斷收到的卡號是否合法，合法則驅動電磁門鎖開門，并暫時保存其開門記錄；如果是非法卡（未經授權或已掛失的卡）則拒絕開門并上傳報警信息。系統定時采集各門禁點的出入記錄并加以存儲、分析、處理。
系統的硬件構成見圖1，由若干個分布于各門禁點的無線IC卡門禁機和一個無線數據收發器及一臺中央控制電腦構成。無線門禁機與無線數據收發器之間采用雙向無線通訊，中央控制計算機通過無線數據收發器向門禁機發送命令、下載數據以及接收門禁機上傳的信息。各門禁機門禁記錄分時傳送給無線數據收發器,
無線數據收發器與中央控制計算機間采用RS232串口通訊，并可同時作為發卡器使用。系統所有的管理工作都由中央控制計算機完成，如發卡、查詢、掛失、解掛、下傳黑名單、接收門禁記錄、統計分析、打印報表等。
無線IC卡門禁機硬件電路主要由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權卡號存儲器、時鐘電路、監控電路、NRF903無線通信接口電路以及電磁門鎖等部分組成，其硬件電路框圖見圖2。PC機端的無線數據收發器硬件結構與無線IC卡門禁機類似，由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、nRF903無線通信接口電路以及與PC機通信的RS232接口電路組成。
2 無線通信芯片nRF903
系統的無線通信模塊采用了Nordic VLSI 公司的單片UHF多段無線收發芯片nRF903。nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM頻段，無需申請頻點，具體工作頻率可以通過與之相連的單片機進行設置。它采用優化的GMSK調制解調技術，可在155.6KHz的有效帶寬下傳輸最高76.8bps的數據；天線接口設計為差分天線，因而可采用低成本的PCB天線；最大發射功率+10dBm，接收靈敏度為460 dBm,在開闊地傳輸距離一般可達600m以上(在地形復雜時會縮短距離,這與使用環境、干擾、系統調諧有關)。nRF903片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，外圍元件少；曼徹斯特編碼/解碼由片內硬件完成,無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼,因此使用非常方便。nRF903還具有待機模式，這樣更節能和高效。
nRF903 采用SPI(串行外設接口) 與微控制器通訊,它自動處理字頭和CRC校驗 ,使用極為方便,只需將要發送的數據和接收機地址送給nRF903，nRF903 自動完成數據打包(加字頭和CRC 校驗碼) 、發送,在接收中有載波偵測引腳，接收到正確的數據包時,自動移去字頭、地址和CRC校驗碼,然后通知微處理器取數據。nRF903與MCU的接口電路如圖3所示。nRF903 的雙向數據線DATA 分別連接在AT89C52 的RXD 和TXD
引腳,RXD 和TXD 之間通過一個10kΩ的電阻隔離。AT89C52 通過連接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 對nRF903進行工作模式設置,通過連接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 對nRF903 工作參數進行配置,以串行方式將14位的配置字移入nRF903 的寄存器中,從而實現對頻段、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率的配置。由于AT89C52 沒有SPI串行硬件接口,所以需要用軟件方式模擬SPI 接口,具體軟件實現方法可參考文獻[4]。
3 多點跳傳無線通信方式
3．1 多點跳傳無線通信局域網
本系統由無線數據收發器和PC機構成的主機與若干無線門禁機工作點組成一個無線局域網,采用多點跳傳方式實現點對多點的通信，傳輸鏈路分布示意圖如圖4 所示。由圖4可見，在0號鏈路中，工作點01、02、03除了自身數據的傳輸之外,還在鏈路中起著數據中繼傳輸站的作用，工作點04的數據通過工作點03、02、01的跳傳傳輸給主機。該鏈路各工作點的傳輸路徑如表1所示。其他各鏈路以相同的跳傳方式傳輸數據。不同的系統可根據門禁點的實際分布來設計相應的鏈路結構。
3．2 多點跳傳無線數據傳輸方式
nRF903 的通信信道是半雙工的,這種方式首先需要設定當前發送端為主站，其他各工作點（接收端）均為從站,主站及各從站的地址唯一。通信的協調完全由發送端控制,發送端采用帶地址碼的數據幀發送數據或命令,從站全部都接收,并將接收的地址碼與本地地址碼比較,不同則將數據全部丟掉,不做任何響應；地址碼相同,則證明數據是給本地的,從站根據傳過來的數據或命令進行不同的響應,將響應的數據發送出去。這種傳輸方式可保證在任何一個瞬間,通信網中只有一個電臺處于發送狀態,以免相互干擾。系統傳輸鏈路中,各工作點的地址碼可根據工作點的數量采用不同的編排,使之有較大差異,以更好的抗干擾和誤碼。
4 系統通信軟件
4．1 通信協議
采用多點跳傳無線數據傳輸方式,數據必須進行規定格式的處理,數據包的格式如下:
其中D_ADD為數據傳送目的地地址；S_ADD為數據源地址；LENTH為數據長度(字節數) ；Data1～Data n 為有效數據；CHECK為糾錯檢錯校驗碼(1個字節) 。該數據包由微控制器發給nRF903 后,nRF903 在對其加入字頭和CRC 校驗后發送出去。
4．2 門禁機通信軟件
為避免多個工作點傳輸時發生沖突,發送端與接收端采用握手聯絡的方式通信。根據數據的傳送目的地址,發送端可通過查路由表確定接收端（下一個結點）的地址碼,例如：0號鏈路中工作點03給主機發送數據,由鏈路結構可知傳輸路徑為03→02→01→主機,則工作點03先設定nRF903的發送地址號為02,發送申請發送請求,發完后轉入接收狀態,等待工作點02返回允許發送信號后再啟動數據發送。工作點02接收到數據后,校驗有誤可通知03重發,校驗無誤后對數據包的目的地地址進行判斷,發現是主機編號,則將數據轉發,將接收端地址碼設為01,發送過程與工作點03過程相同。如此下去,數據再經工作點01二次轉發給主機,主機檢查發現目的地就是主機,即將數據接收下來。這樣經過工作點02、01的收發中繼,工作點03的數據就跳傳給了主機。其他工作點與主機之間的通信過程與此類似。無線IC卡門禁系統中某工作點的通信子程序流程圖如圖5所示。
5 結束語
本系統采用先進的無線通信技術實現IC卡門禁系統數據與控制信息的無線傳輸，該系統由于省去了集中器和485布線，使工程造價大大降低，為門禁控制提供了安全可靠而又靈活方便的實施方案。
[1] 劉守義 毛豐江 ，智能卡技術，西安：西安電子工業大學出版社，2003
[2] Datasheet of Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF903 ,Nordic VLSI，2002
[3] Fischer R A，Laakonen A S，Schulz N N．A general pooling algorithm using a wireless AMR system for restoration confirmation．IEEE Transon Power Systems，2001，16(2)：312-316．
[4] 易志明,林 凌,李 剛,等. SPI 總線在51 系列單片機系統中的實現. 國外電子元器件,2003 , (9) :21～23