一、项目概述
1.1 引言
门禁系统是新型现代化公共安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术和生物技术等诸多新 技术，是重要部门出入口实现安全防范管理的有效保障。随着无线射频识别技术的发展，非接触式IC卡门禁系统由于其技术成熟、价格低廉、使用方便等优异的性 能，已成为住宅、楼宇、银行等系统的重要组成部分。使用新型高安全、可靠性的无线门禁系统，对于保护国家人民群众的财产、安全及其维护社会稳定具有重要意 义。
1.2 项目背景/选题动机
目前的智能门禁系统大多数是基于有线通信的方式来实现的。众所周知，有线通信具有安全、稳定性好、易于实现等优点；但同时有线通信方式具有初装费用高、施 工时间长、无法移动、变更余地小、维护费用高、覆盖面积小、扩展困难等缺陷。随着通信技术的发展，无线通信网络进入了一个新的天地。功能强、容易安装、组 网灵活、即插即用的网络连接、可移动性强等优点，使得无线网络提供了不受限制的应用。因此无线射频门禁系统不但能提高安全性和可靠性，而且相对传统的契合 性机械装置，无线射频门禁系统磨损消耗少，使用时间长，能有效减少门禁设备的更换，同时Atmel公司的AT32UC3A单片机具有较低的工作电压和多种 工作模式，极大的降低了工作能耗，这些对于当今环保节能的大潮流下，无疑具有重要意义。
二、需求分析
2.1 功能要求
1）被授权用户（住户）
对被授权用户，是系统设定允许主动通过门禁的对象，他们可以通过刷卡或者从外接键盘输入密码的方式开门。
2）非授权用户（来访客人）
对非授权用户，是系统设定阻止主动通过门禁的对象，他们可以通过无线语音呼叫，取得与室内住户的联系，经身份确认后，由住户打开门禁。
3）非法入侵（小偷等）
对于企图以破坏门禁系统等非法手段打开门禁系统的情况，系统能够自动向小区保安中心紧急报警。
2.2 性能要求
1）安全性
该系统能够阻止一切非授权对象的主动进入，保障财产生命安全。
2）可靠性
该系统能够稳定的工作，能较好的抵抗外界干扰，保证动作的准确性。
3）实时性
该系统能够实时响应用户对象。
4）灵活性
该系统能够比较容易的扩展，方便添加新用户。
5）保密性
该系统具有较强的防破译能力，强力保护用户密码。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
该无线门禁系统硬件主要包括主控设备、电控锁、电源、语音压缩/控制平台、无线传输平台，其他周边设备几个部分构成，系统整体架构如图1所示。
当被授权用户刷卡开门的时候，读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活，射频卡将 自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到从射频卡发送来的调制信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码 然后送到主控设备进行相关处理；主控系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作，若被授权用 户忘记带卡，还可以通过系统的外接键盘输入密码来开门。
图1 系统整体框架示意图
3.2 硬件平台选用及资源配置
选用EVK1100硬件平台。
3.3系统软件架构
整个软件的设计不仅能够实现连接的建立，同时必须保证数据传输的准确性。 在主机主控设备的FLASH程序存储器中，存储一张与从机频率一一对应的地址码表。该码表的每一个频率都与主机的一组按键值相对应。当主机的按键按下，主 机的主控设备在FLASH 码表中搜索与之对应的发送频率， 将主机无线传输系统的发送频率配置于该频率，并发送一个连接请求 ASK。能够接收到此ASK请求的从机只能是具有相同接收频率的从机。若主机正确接收到从机回复的允许连接的ACK，则连接建立。
由于外界环境的干扰，主机发送 ASK后，可能在ASK 传输过程中出错而无法得到从机的响应。因此主机在发送一个 ASK连接请求后将开启一个定时器，若超过定时器的定时时间之后系统主机仍然没有接收到从机的ACK响应， 则主机将重新发送一个连接请求。 从机等待主机的连接请求ASK， 并根据自身的状况选择回复或者不回复 ACK。
从机发送完ACK之后，并不会立即准备进入工作状态，它会继续等待一段时间，确定没有接收到主机再次发送的ASK 之后才进入工作状态下。使用这种通信模式能够增强系统的鲁棒性，即使存在较强烈的外界干扰，也能够保证主、从机之间正确建立连接。
3.4 系统软件流程
在本系统中，主机相当于无线网络中的主设备，从机相当于无线网络中的从设备，因此主机与从机在功能上存在极大的差别。下面将分别介绍主机与从机的软件设计流程图。
图2 主机程序软件设计流程图
图2给出了系统的主机的软件设计流程图。当主机的键盘有键按下时，主机将按下数字按键的键值存储在 tra_array 中，tra_array 储存的数字组合即与用户终端的门牌号码对应。此后，主机搜索内存中的码表，找出该数字组合相对应的发射频率 F0，并将自身的 IA4420 模块配置于 F0，发送一个连接请求帧 ASK。由于系统采用频分复用的工作方式，所有的从机均工作于不同频率，因此只有接收频率同样是 F0 的从机能够接收、 响应主机的连接。 若主机在30ms 内未收到从机回复帧ACK， 或者接收到的 ACK错误，主机将重复发送 ASK以程度确保从机能够接收到主机的连接信号。此过程中的 ASK 帧的发送次数为 16 次，若超过该次数仍未接收到正确的 ASK，则主机自动跳回STANDBY 状态。接收到正确的ACK回复后，主机与从机之间的通信链路成功建立，主机打开接收 IA4420 模块，打开语音平台，与从机进行语音通信。考虑到无线传输比有线通信存在更多的不确定性，无线系统中需要使用一些特殊的手段以保证通信的稳定性。因此，主 机内置一个连接时间的定时器T0，若在 T0时间内主机未收到从机的断开连接请求，则主机自动关闭连接，跳回待机 STANDBY状态。
图3 从机程序软件设计流程图
图3 给出了从机的软件流程图。从机并不会执行关闭接收 IA4420 模块的动作，即使在 STANDBY 状态下，从机的无线接收模块一直处于正常工作状态，此特性的设计与从机被动等待连接的特点是相互匹配的。
考虑到无线通信的不确定性，当从机向主机回复 ACK后，需要继续等待30ms。结合主机的程序流程设计可知，若主机在 30ms 内未接收到从机的 ACK回复，则将重新发送一个 ASK 请求帧，因此，为了避免从机的 ACK 回复收到外界环境的干扰而未被主机接收到的极端情况，从机设计时在发送 ACK后继续等待 30ms，若 30ms内未收到主机再次发送的ASK,则说明主机与从机之间的连接建立成功。
3.5 系统预计实现结果
该系统能够实现基本的预定功能，对于被授权用户能够通过刷卡或者输入密码打开门禁，非授权用户能够通过无线语音系统向住户发出进入请求，在经过允许后可以进入楼内，当系统遭到非法入侵时，能够主动向保安中心紧急报警。
