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基于通信器S1503的門禁系統(tǒng)的設(shè)計
摘要：對基于通信器S1503的門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)及組成部件進行了簡要描述；介紹了系統(tǒng)核心部件——通信器S1503的特點、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，并對該系統(tǒng)的具體設(shè)計過程進行了分析和討論；最后對該系統(tǒng)進行了必要的說明。關(guān)鍵詞：門禁系統(tǒng) S1503 通信器 通信編程
門禁系統(tǒng)是對出入口通道進行管制的系統(tǒng)。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是射頻通信識別技術(shù)、智能卡技術(shù)和生物識別技術(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)和面部識別門禁系統(tǒng)等各種系統(tǒng)。它們在安全性、方便性和易管理性等方面各有特長，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)計的門禁系統(tǒng)是武警部隊車輛信息綜合管理系統(tǒng)課題（武警部隊立項課題）的一部分。該系統(tǒng)是基于射頻通信識別技術(shù)的單機控制型門禁系統(tǒng)。它以CONFIDENT自動識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對部隊單位的車輛進出停車場實現(xiàn)自動管理。CONFIDENT系統(tǒng)的基本部件包括電子標(biāo)簽、通信器和主機。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，主機是車場調(diào)度室的計算機。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)與主機進行通信來交換信息。本系統(tǒng)采用的S1503是長距離通信器，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)中射頻識別標(biāo)簽，在車輛收費管理、車場車輛進出口管理以及列車車次識別等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。其主要特點是：（1）具有6m的長閱讀距離；（2）能進行5m范圍內(nèi)的運動監(jiān)測；（3）提供C、Delphi以及VB的驅(qū)動接口程序；（4）提供與主機通信的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)庫名，該庫中包含幾百個通信器管理函數(shù)以及ConfiTalk通信協(xié)議接口函數(shù)。同時提供適合于DOS、Windows3.1以及Windwos 95/NT等不同平臺要求的Confilib版本。PC平臺的Confilib應(yīng)用程序接口以C/C++動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供，同時也提供Visual Basic、Delphi語言接口，適用于通信器的Confilib是C語言庫。這些函數(shù)庫包含諸如閱讀、寫入、格式化標(biāo)簽，讀、寫、檢索數(shù)據(jù)庫，軟、硬件設(shè)備，讀、寫I/O接口，發(fā)送、接收ConfiTalk命令，定時器，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、校驗以及數(shù)據(jù)透明的方式。該協(xié)議還可用于點對點通信和多點網(wǎng)絡(luò)通信，并采用查詢方式。用戶可自己編寫通信協(xié)議來替代ConfiTalk。
Pyramid:通信器S1503出廠時預(yù)裝的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。安裝了Pyramid的S1503在閱讀在標(biāo)簽或檢測到運動時，能夠自己作出判斷和決定。S1503還可以通過串行接口接收并執(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。該方式的優(yōu)點是：運行速度快、可單機運行；缺點是：需要PROM寫入器、缺少方便的界面。
（2）利用Confilib庫函數(shù)開發(fā)的主機應(yīng)用程序
在該方式中，通信器S1503利用Confilib庫函數(shù)或其它軟件開發(fā)的主機程序進行控制，系統(tǒng)的智能部分在主機，通信器不做任何邏輯判斷。當(dāng)主機應(yīng)用程序調(diào)用Confilib函數(shù)時，自動將Confilib命令翻譯成ConfiTalk命令，然后傳遞給S1503，S1503根據(jù)該命令執(zhí)行對應(yīng)的Confilib命令。這種方式的優(yōu)點是：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，主機應(yīng)用程序更加便于開發(fā)、調(diào)試；缺點是：執(zhí)行速度慢。
（3）利用主機應(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。主機應(yīng)用程序與通信器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序通過互送郵件實現(xiàn)通信。采用這種方式，其優(yōu)點是：主機應(yīng)用程序簡單，部分邏輯判斷可交給通信器應(yīng)用程序，從而獲得較快的運行速度；缺點是：Pyramid郵件不支持寫標(biāo)簽和數(shù)據(jù)庫管理功能。不過，這些功能可通過Confilib/Confitalk命令實現(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，采用這種方式。該方式的優(yōu)點是：可實現(xiàn)通信器ConfiTalk以外的協(xié)議通信；缺點是編寫程序量大、開發(fā)周期長。
在實際應(yīng)用中，可根據(jù)用戶實際需求，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，又實現(xiàn)了主機與S1503的信息交換。
1.3 S1503應(yīng)用編程
S1503程序庫的核心是一個被稱作事件器的模塊，其絕大部分應(yīng)用是由事件驅(qū)動的。事件是指正常程序運行以外不定期定義的事件，事件的產(chǎn)生可以來自外部（如按鍵），也可以來自內(nèi)部（如定時器）。Confilib庫中有七個模塊產(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（多譜勒雷達檢測到運動物體）、Par_In（并行輸入口輸入）、Timer(設(shè)置的計時器到達時間)、Tag（成功閱讀到一個標(biāo)簽）、Tamper_Switch（防護開關(guān)動作）、Null_Event（自上次查詢后，沒有事件發(fā)生）、Reset_Event（系統(tǒng)復(fù)位）。除防護開關(guān)動作外，其它所有事件模塊必須經(jīng)過初始化后才能夠產(chǎn)生事件。當(dāng)事件產(chǎn)生時，系統(tǒng)及時響應(yīng)并存入通信器事件處理器，應(yīng)用程序通過調(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)是一個等待事件的死循環(huán)，當(dāng)事件發(fā)生時，應(yīng)用程序調(diào)用適當(dāng)?shù)氖录幚沓绦騺眄憫?yīng)該事件。在本系統(tǒng)中，考慮到實現(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)有較快的運行速度，同時也降低了應(yīng)用編程的難度。
1.4 S1503通信編程
當(dāng)通信器S1503與主機連接時，其與主機要進行通信并交換信息，主要有三種方法：（1）利用CONFIDENT庫函數(shù)所支持的動態(tài)緩沖區(qū)；（2）利用用戶通過所提供的串行通信接口字節(jié)級設(shè)備驅(qū)動函數(shù)自定義的通信協(xié)議；（3）利用CONFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，采用了第三種方法。通信器通過調(diào)用函數(shù)Msw_Mail_Init、Mws_Mail_Send以及Msw_Mail_Receive等來使用郵件交換系統(tǒng)。使用郵件交換系統(tǒng)的前提是系統(tǒng)至少有一個空閑的動態(tài)緩沖區(qū)。在初始化郵件系統(tǒng)時，函數(shù)將占據(jù)編號最高的動態(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，可通過微波與通信器通信，能夠存儲606位數(shù)據(jù)，相當(dāng)于82個7位ASCII字符和32位校驗和。該標(biāo)簽還可通過微波器進行格式化，用戶可根據(jù)對內(nèi)存模式、響應(yīng)時間、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)簽使用對環(huán)境無害的鋰電池供電，具有閱讀距離長和閱讀速度快的特點，且同時可閱讀多個標(biāo)簽。在該系統(tǒng)中，每一車輛都有唯一的電子標(biāo)簽與之一一對應(yīng)。車輛的有關(guān)信息（包括唯一標(biāo)識號）存儲在電子標(biāo)簽中，通信器通過與電子標(biāo)簽進行微波通信來識別標(biāo)簽并對車輛進行管理。
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)識號、讀/寫標(biāo)簽的“數(shù)據(jù)”以及標(biāo)簽的“狀態(tài)”域。上述標(biāo)識號、數(shù)據(jù)以及狀態(tài)域構(gòu)成標(biāo)簽的“識別信息幀”。標(biāo)簽的識別信息幀格式化由固定的間隔或隨機的間隔隔開。兩個相鄰的識別信息幀連同其中的間隔稱為“信息時間”。當(dāng)S1251被格式化為隨機間隔時，在同一天線波束內(nèi)可同時閱讀多個標(biāo)簽；若同一通信器天線波束內(nèi)有四個以上的標(biāo)簽時，則應(yīng)將標(biāo)簽的識別信息幀之間的間隔設(shè)置長一些，以免發(fā)生識別錯誤（主要指替代錯誤）。
3 門禁系統(tǒng)設(shè)計
門禁系統(tǒng)的設(shè)計涉及到硬件組裝和軟件編程。硬件組裝
主要包括車場調(diào)度室計算機與通信器的連接，通信器、電子標(biāo)簽以及電動門的安裝等。通信器與主機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車場大門，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，以便與通信器進行通信。電子標(biāo)簽在安裝前最好進行初始化，在該系統(tǒng)中，初始化工作是通過通信器自帶的標(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)簽的檢測等。故在該系統(tǒng)中，軟件編程主要是指通信器與主機的通信編程。
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通過串行口與主機相連，并且通過繼電器對電動門實現(xiàn)控制。
3.2 工作原理
通信器內(nèi)有數(shù)據(jù)庫，內(nèi)部存有合法車輛的車牌號信息和車輛唯一標(biāo)識碼，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應(yīng)，主要是記錄每個車輛的信息數(shù)據(jù)（包括唯一標(biāo)識碼）。在通信器的控制范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽?zāi)芘c通信器進行實時通信，傳遞所存儲的信息。通信器通過微波通信監(jiān)控電子標(biāo)簽來監(jiān)視車輛的進出場動作。當(dāng)監(jiān)測到有車輛出入時，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)庫中的數(shù)據(jù)進行比較，確認(rèn)是合適車輛后，繼電器閉合，接通電動門電源，電動門打開，給予放行，并向主機發(fā)送車輛的進出場信息；當(dāng)檢測到不合法車輛或陌生車輛時，通信器不接通電動門電源，而是向主機發(fā)送提示信息，發(fā)出聲音警告。
3.3 軟件編程的實現(xiàn)
軟件編程主要實現(xiàn)的功能是：通信器檢測到電子標(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；主機接收到郵件后，對郵件內(nèi)容進行處理，并將處理結(jié)果顯示在主機屏幕上。
在該系統(tǒng)中，利用CONFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統(tǒng)實現(xiàn)通信器S1503與主機的通信。使用郵件交換系統(tǒng)的程序流程圖如圖6和圖7所示。其實現(xiàn)功能是主機接收到通信器送來標(biāo)簽郵件后，立即對郵件內(nèi)容進行處理，并將與標(biāo)簽對應(yīng)車牌號顯示在屏幕上。為了避免主機和通信器同時控制串行口而產(chǎn)生矛盾，系統(tǒng)規(guī)定：每當(dāng)空格鍵被按下時，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閱讀標(biāo)簽事件。并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過郵件發(fā)送給主機，主機通過郵件將通信器設(shè)置為非安靜模式并在通信器為非安靜模式時讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)郵件。在程序?qū)崿F(xiàn)時，利用定時器事件，主機應(yīng)用程序每隔30秒自動輸入空格鍵來達到此目的。
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