基于STM8L的門鎖控制和狀態識別*

高小明

(西南科技大學 計算機科學與技術學院,綿陽 621010)

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高小明

(西南科技大學 計算機科學與技術學院,綿陽 621010)

門禁系統是一種管理人員進出的數字化智能系統，可以實時監控門的狀態和合法用戶的進出狀況，防止非法用戶強制闖入。門禁系統作為智能家居系統的一部分，在現代安防領域發揮了巨大作用，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，實現了對門鎖的控制和狀態的識別，并通過總線方式與服務器進行通信。實踐表明，該系統整體功耗低、性能穩定、使用安全、管理方便。

門禁控制系統；射頻識別；STM8L；總線通信；安防

引 言

在現代安防領域，門禁系統是安防自動化系統的一個重要環節，它對房間的出入口進行有效控制，通過身份認證的方式，允許合法人員的進出。門禁控制器主要實現用戶身份信息的讀取、合法身份比對、門鎖的控制、與服務器進行數據通信等功能。本系統利用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的具有唯一標識的ID識別卡作為用戶身份卡，并自行設計了ID卡讀卡器及卡號解碼程序，結合門鎖控制模塊、數據通信模塊實現門禁系統的管理與控制。

1 系統方案設計

門禁控制器主要通過讀取用戶ID身份信息，通過與本機合法ID數據列表進行比對，并根據比對結果進行門鎖的控制，并將操作數據傳輸給門禁服務器。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或服務器出現故障的情況下，依然能夠進行門禁的正常操作。服務器系統僅用于ID卡號的添加、刪除、權限管理、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化的體系結構，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以內需要連續使用的要求，以及對低功耗有特殊要求的多種應用。

讀卡器采用自行設計的低功耗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。系統整機結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 電路系統設計

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，利用射頻信號及空間信號耦合傳輸特性，實現ID卡與讀卡器之間的數據交互。ID卡作為應答器，內部本身不需要電池，內部所需要的電量全部來源于應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答器的通信質量，其實現原理如圖2所示。

圖2 無線識別系統框圖

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

(1)

天線回路的耦合系數定義為：

(2)

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

ID卡讀卡器主要包括發射電路和接收電路兩個部分，發射部分用于驅動產生標準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。載波發射驅動電路如圖3所示。

圖3 載波發射驅動電路

應答器在接收到讀卡器的載波信號后，耦合產生電能，并將ID卡號通過天線傳輸出去，接收電路將收到帶有數據信息的載波信號，通過對信號濾波、檢波、整流、比較放大等處理，提取數據信息，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，天線設計至關重要，本系統采用漆包線緊密繞制而成，回路處于諧振狀態，則：

(3)

而天線的電感與線圈的直徑、導體直徑等相關，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；μ0表示磁場常數；R表示線圈半徑；d表示導體直徑。

在f=125kHz的情況下，根據式(3)、(4)確定諧振情況下的電感值L，然后根據電感及實際應用環境繞制合適的天線。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，實現數據的采集。

2.2 微控制器系統電路

本系統采用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，方便實現數據的采集；內部集成的串口可用于門控制器與服務器的通信。本系統微控制器部分電路如圖5所示。

圖5 微控制器系統電路

實際應用中，系統采用了該微控制器芯片內部自帶的一個16 MHz的RC振蕩器，進一步降低了系統的功耗，利用一個32.768 kHz的外部石英晶振，用于系統內部實時時鐘。

2.3 門鎖控制電路

圖6 電機鎖控制電路

門鎖控制電路主要實現電機鎖的開啟、關閉狀態的識別，本系統采用了浙江宏泰電子設備有限公司的靈性鎖。該鎖采用12 V電源供電，利用兩根數據線L+、L-控制開啟，利用S+、S-反饋狀態，微控制器通過相應的驅動隔離電路直接與這4根線進行通信。其電路如圖6所示。

2.4 通信電路

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

圖7 RS485總線通信電路

3 軟件系統設計

3.1 ID卡數據解碼

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卡內部有64位激光可編程ROM，采用曼切斯特碼進行調制，單個數據位的寬度為512 μs，其數據結格式如圖8所示。

圖8 ID卡數據格式

ID卡ROM中的數據以連續的9個“1”作為頭數據，用于讀取數據時同步，D00～D90為ID卡號數據，具有唯一編號，P0～P9為對應的行校驗位，C0～C3為對應的列校驗位，最后以0結束。

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

3.2 門禁控制器處理軟件

處理軟件主要實現用戶權限的管理、門鎖的控制、門鎖狀態的監控、網絡通信等功能，在平時待機狀態下則轉入到低功耗模式，以節省電能。整機工作流程略——編者注。

4 方案測試結果

4.1 測試目標、方法與儀器

根據上面敘述的方法設計并實現了該套系統，并部署在我院辦公大樓，單門個數達99個，并經過了長期應用測試。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、方法與儀器

4.2 測試結果

在測試中，采用標準的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計ID卡的誤碼率，并測試了服務器與門禁控制器的通信可靠性。測試結果如表2所列。

表2 測試結果

4.3 測試結果分析

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

同時在門狀態發生改變的情況下，由于系統中斷的原因，也會產生一定的誤碼率，在正常使用的情況下，刷卡出現誤碼的概率極低，完全能夠滿足正常使用的需要。對系統通信進行了長達數十小時的數據統計測試，未發現傳輸數據丟失和錯誤的情況，與數據傳輸波特率較低(1 200 bps)有一定關系。實驗證明，該系統工作較為穩定。

結 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設計門禁控制器的原理及方法，系統電路結構簡單，體積小巧，安裝方便，目前已投入正常使用。

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

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高小明(碩士)，主要研究方向為嵌入式系統技術、數字信號處理、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

國家自然科學基金資助項目(項目編號：61202044)。

TP273.5

A

迪娜

2013-12-24)