射頻識別技術(shù)漫談(28)——基于MF1射頻卡的酒店門鎖設(shè)計

電子門鎖是現(xiàn)代星級酒店管理電子化、智能化的重要電子設(shè)備。相較于傳統(tǒng)的機械鎖，基于RFID技術(shù)的電子門鎖使用方便，易于管理，安全性高，可實現(xiàn)對開鎖用戶的分優(yōu)先級自動管理，對房間入住信息實現(xiàn)自動統(tǒng)計與報表輸出。
1 系統(tǒng)整體分析
MF1 S50和S70卡是遵守ISO14443A國際標準的非接觸式邏輯加密卡，S50卡內(nèi)共有1024字節(jié)非易失性存儲空間，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含4個數(shù)據(jù)塊，每個扇區(qū)都有一組獨立的密碼A和B，扇區(qū)內(nèi)的每個數(shù)據(jù)塊都可單獨設(shè)置存取條件。S70存儲結(jié)構(gòu)與S50類似，存儲空間為4096字節(jié)，分為40個扇區(qū)。
旅客入住酒店時，酒店前臺將旅客的入住時間、退房時間、房間號等信息寫入已授權(quán)卡片指定扇區(qū)的數(shù)據(jù)塊。客人在選定的房間門鎖前刷卡，門鎖射頻讀卡模塊使用定時紅外線掃描，當探測到卡片后啟動讀卡程序，讀出卡片的全球唯一序列號和卡內(nèi)的旅客入住信息，并比對房間號和入住與退房時間，決定是否開門，并將事件記錄在門鎖的E2PROM中。
卡內(nèi)使用一個字節(jié)作為卡類型標識，除了客人卡、還可識別管理卡、清潔卡、樓層卡、報警卡、時鐘卡等不同功能的卡片，并設(shè)置不同的權(quán)限?？▋?nèi)的門鎖操作記錄可以使用MF1 S70卡片采集，以便定期導(dǎo)出進行匯總統(tǒng)計。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
如圖1所示，整個系統(tǒng)以ATMEGA88V為核心，外圍電路包括RC522讀卡操作模塊、門鎖電機驅(qū)動控制模塊、紅外探測模塊、E2PROM存儲模塊以及電源、時鐘、聲光指示等功能模塊。ATMEGA88V進行紅外線探測，當探測到紅外線有遮擋時啟動RC522進行讀卡操作，根據(jù)卡內(nèi)信息決定是否進行開門操作，并通過實時時鐘獲得時間信息，最后將事件記入E2PROM中；如果是設(shè)置卡，則對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置。蜂鳴器和LED燈可以在卡片和門鎖操作的過程中指示不同的狀態(tài)，ISP接口實現(xiàn)應(yīng)用程序的下載和更新。

2.1 主控芯片電路
由于門鎖工作時對能耗指標的要求非?？量?，所以選取主控芯片的原則是運行速度快，耗電少，內(nèi)部資源夠用即可，盡量減少閑置不用的資源。因此綜合考慮選用美國ATMEL公司的高性能、低功耗的 AVR 8位微處理器ATMEGA88V作為本系統(tǒng)的核心。
該微控制器特點如下：
◆ 先進的 RISC 結(jié)構(gòu)（工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS）。
◆ 23個可編程的I/O口，8路10位ADC通道。
◆ 1K字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，8K字節(jié)FLASH存儲器，可以在系統(tǒng)編程。
◆ 3個通用計數(shù)器、定時器陣列， SPI串口。
◆ 多種節(jié)電休眠和停機方式，掉電模式下最低僅需0.5μA。
2.2 RC522讀卡接口電路
讀卡電路讀取卡片信息供單片機用于控制門鎖或進行參數(shù)設(shè)置，并在導(dǎo)出記錄時將記錄信息寫入S70卡。射頻接口芯片選用了體積小、低電壓、低功耗的RC522芯片，以滿足門鎖控制模塊對體積和能耗的要求。RC522支持ISO14443 TYPEA及MIFARE CRYPTO1加密協(xié)議，最大讀寫距離6cm，具備硬件掉電、軟件掉電和發(fā)送器掉電等多種節(jié)電工作模式[2]。RC522讀卡接口電路如圖2所示。

RC522與單片機之間的通訊可以使用UART、I2C、SPI接口，此處我們選用SPI接口。硬件上電路板分為兩個部分，天線和紅外探測以及LED顯示組成PCB前板，其它元件作為硬件底板，TX1和TX2連接PCB前板上的天線。Q1控制RC522的電源，在單片機休眠時RC522完全斷電，以節(jié)省能量延長更換模塊電池的間隔時間。

2.3 門鎖電機控制電路與紅外探測電路
門鎖電機控制電路選用一片BA6287作為驅(qū)動。BA6287的供電電壓范圍4.5-15V，最大輸出驅(qū)動電流可達1A。M+和M-分別接門鎖直流電機的正負極，F(xiàn)IN和RIN接單片機的I/O口。BA6287可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車以及芯片本身的掉電休眠模式，非常適合于門鎖電機的驅(qū)動控制。

紅外探測電路用于探測天線區(qū)域內(nèi)是否有卡片存在。探測時，單片機將IR_E_D置高電平，Q21導(dǎo)通，二極管IR_E向模塊正前方區(qū)域發(fā)射紅外線，同時置位IR_R_D電壓，并通過ADC通道讀取IR_R的電壓值。當射頻場內(nèi)有卡片時，發(fā)射的紅外線通過卡片反射回來被Q22接收，Q22導(dǎo)通， IR_R的電壓高于基準值，單片機據(jù)此啟動RC522讀卡電路。反之當沒有卡片時，紅外線沒有反射，Q22不導(dǎo)通，此時IR_R電壓為基準值。
3 軟件設(shè)計
射頻卡門鎖電路的軟件主要由射頻卡探測與讀寫程序、門鎖驅(qū)動與狀態(tài)指示程序以及門開關(guān)記錄保存與導(dǎo)出程序三部分組成。射頻卡探測與讀寫程序?qū)崿F(xiàn)了卡片探測與卡片操作，門鎖驅(qū)動與狀態(tài)指示根據(jù)讀取的卡片信息對電機進行驅(qū)動，并顯示門的當前狀態(tài)信息，這兩部分是軟件程序的重點。開關(guān)記錄保存與導(dǎo)出程序?qū)㈤_關(guān)記錄記入模塊的E2PROM并可導(dǎo)出到S70卡片，供PC主機采集與分析使用。門鎖電路軟件總框圖如圖4所示。

3.1 RC522卡操作程序
紅外探測到射頻場內(nèi)有卡片后，單片機啟動RC522進行讀卡操作。由于模塊每間隔250ms探測一次卡片，在間歇期內(nèi)RC522處于掉電休眠狀態(tài)，因此讀卡的第一步是先給RC522上電復(fù)位，然后進行端口和RC522寄存器配置，之后開啟天線進行卡呼叫、卡防沖突、卡選擇和卡認證。只有獲得授權(quán)的卡片才能通過卡認證一步，之后單片機根據(jù)卡類型進行判斷，如果是MIFARE S50卡，則讀取兩個BLOCK的卡內(nèi)配置信息，并根據(jù)這些信息調(diào)用門鎖驅(qū)動程序執(zhí)行開、關(guān)門操作或進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；如果是S70卡，則調(diào)用開關(guān)門記錄導(dǎo)出程序，將模塊內(nèi)存儲的開關(guān)門記錄寫入S70卡片。
如果紅外探測到場內(nèi)有卡片，但卡呼叫未成功，則可能是有其他物體遮擋紅外線或可見光干擾，此時單片機將啟動ADC基準值的動態(tài)平滑機制，將本次采樣值加入樣本，同時剔除最老的樣本并計算樣本平均值作為下次ADC采樣比較的基準。經(jīng)過較短時間的采樣平滑后，基準值實現(xiàn)跟隨外部干擾變化動態(tài)調(diào)整，從而消除干擾的影響。
3.2 門鎖驅(qū)動與狀態(tài)指示程序
門鎖驅(qū)動程序根據(jù)讀取的MF1 S50卡片配置信息進行各種操作?？ㄆ瑑?nèi)的配置信息使用卡片的兩個BLOCK共32字節(jié),第一個BLOCK的16個字節(jié)格式固定，第二個BLOCK的內(nèi)容根據(jù)不同的卡類型所存儲的信息有差別。其結(jié)構(gòu)如下：

00 01 02 06 07 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 16 17 1C 1D 1E 1F

卡型：一個字節(jié)的卡類型標識不同功能類型的卡片。常見的卡片類型可以分為兩大類，開門卡和設(shè)置卡。開門卡可以實現(xiàn)開關(guān)門，如客人卡、樓層卡、清潔卡、樓號卡、應(yīng)急卡、常開卡等；設(shè)置卡用來設(shè)置模塊參數(shù)，不能開門，如退房卡、管理卡、房號設(shè)置卡、時鐘設(shè)置卡、勿擾卡、報警卡等。
FLAG：標志字節(jié)，可以設(shè)置8個標志，比如是否允許開反鎖，是否比較開門時間，是否比較房號等。
BEGIN和END:開始時間和結(jié)束時間，格式為年、月、日、時、分，只有在這個時間區(qū)間內(nèi)，才能開門。當卡片為時鐘設(shè)置卡時，使用BEGIN來設(shè)置系統(tǒng)時鐘。
樓號、樓層和房號：用來比較房間是否正確。房號有兩個字節(jié)，第一個字節(jié)為主房間號，第二個字節(jié)為子房間號。有些高級套房內(nèi)部有子房間，并具有獨立的門鎖控制。沒有子房間的客房在比較時忽略子房間號。
第二個BLOCK的內(nèi)容根據(jù)不同的卡類型，其意義有所不同，比如清潔卡可用來設(shè)置清潔區(qū)域號和清潔時間段，設(shè)置卡用來存放模塊的授權(quán)碼等。
門鎖驅(qū)動程序根據(jù)上述卡片信息對門鎖電機驅(qū)動或?qū)⒃O(shè)置卡的設(shè)置參數(shù)寫入模塊內(nèi)的E2PROM。
門鎖狀態(tài)指示程序用來顯示門鎖的當前狀態(tài)。門鎖狀態(tài)使用一個蜂鳴器和一個雙色LED來表示。正常開門蜂鳴器和綠燈同時動作0.5秒；發(fā)生錯誤時蜂鳴器和紅燈同時動作0.2秒；設(shè)置卡設(shè)置成功后蜂鳴器和綠燈同時動作0.2秒；賓客在房間內(nèi)將門反鎖，綠燈每隔5秒閃爍一次；正常開門卡開門后5秒門未正常關(guān)閉，則蜂鳴器和紅燈每隔1秒動作一次；電池電壓低則蜂鳴器發(fā)出旋律可變的報警聲。

3.3 開關(guān)門記錄存儲與采集程序
系統(tǒng)擴展了一片AT24C64 E2PROM芯片用來存儲系統(tǒng)參數(shù)和開關(guān)門記錄。AT24C64的容量為8K字節(jié)，其中前256字節(jié)(地址00H～FFH)用來存儲系統(tǒng)參數(shù)，包括卡片密碼、樓號、樓層號、房間號等。AT24C64剩余的存儲空間（100H-1FFFH）用來存儲開門記錄，每條記錄的長度為16個字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如下：

00 01 04 05 0 A 0B 0C 0F

卡型占用一個字節(jié)，記錄所刷卡片的類型；卡序列號記錄卡片的全球唯一4字節(jié)序列號；操作時間記錄刷卡的年、月、日、時、分、秒，占用6個字節(jié)；操作類型記錄開關(guān)門的類型，包括正常開門、常開卡開門、常開卡關(guān)門、機械鑰匙開門等。一片AT24C64共可以存儲496條記錄。
門鎖中的記錄使用MF1 S70卡導(dǎo)出。S70卡的容量為4K字節(jié)，除去制造商塊和每個區(qū)的區(qū)尾塊，每張S70卡可以記錄215條記錄，導(dǎo)出全部模塊中的記錄共需要3張S70卡。當用授權(quán)的S70卡刷卡時，門鎖控制模塊自動將E2PROM中記錄讀出，然后依次寫入S70卡的BLOCK中，每一條記錄對應(yīng)一個BLOCK。寫完第一張卡片后，模塊自動等待第二張卡片進入射頻場，直到寫完第三張卡片。如果等待超過10秒鐘未檢測到卡片，程序?qū)⒊瑫r退出。


審核編輯：湯梓紅