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基于通信器S1503的門禁系統的設計
摘要：對基于通信器S1503的門禁系統的實現技術及組成部件進行了簡要描述；介紹了系統核心部件——通信器S1503的特點、結構及應用原理以及標簽S1251的結構和工作原理，并對該系統的具體設計過程進行了分析和討論；最后對該系統進行了必要的說明。關鍵詞：門禁系統 S1503 通信器 通信編程
門禁系統是對出入口通道進行管制的系統。近年來，隨著數字技術和網絡技術的飛速發展，特別是射頻通信識別技術、智能卡技術和生物識別技術的發展，門禁系統也得到了飛躍式的發展，出現了智能卡門禁系統、指紋門禁系統和面部識別門禁系統等各種系統。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，現已廣泛應用于各領域。
本文設計的門禁系統是武警部隊車輛信息綜合管理系統課題（武警部隊立項課題）的一部分。該系統是基于射頻通信識別技術的單機控制型門禁系統。它以CONFIDENT自動識別系統為基礎，對部隊單位的車輛進出停車場實現自動管理。CONFIDENT系統的基本部件包括電子標簽、通信器和主機。在本系統中，通信器采用瑞典TagMastr AB公司生產的S1503，電子標簽采用S1251，主機是車場調度室的計算機。CONFIDENT系統結構示意圖如圖1所示。
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1 通信器S1503
通信器是門禁系統的核心部件，直接管理和控制門禁系統的所事務；此外，還負責與主機進行通信來交換信息。本系統采用的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系統中射頻識別標簽，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中有著廣泛的應用。其主要特點是：（1）具有6m的長閱讀距離；（2）能進行5m范圍內的運動監測；（3）提供C、Delphi以及VB的驅動接口程序；（4）提供與主機通信的RS232和2/4線制的RS485接口。S1503的內部結構示意圖如圖2所示。
1.1 S1503軟件系統
S1503的軟件系統結構示意圖如圖3所示。
Confilib:CONFIDENT函數庫名，該庫中包含幾百個通信器管理函數以及ConfiTalk通信協議接口函數。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應用程序接口以C/C++動態鏈接庫（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。這些函數庫包含諸如閱讀、寫入、格式化標簽，讀、寫、檢索數據庫，軟、硬件設備，讀、寫I/O接口，發送、接收ConfiTalk命令，定時器，緩存區管理和郵件管理等函數。
圖2 S1503硬件結構方框圖
ConfiTalk：標準通信協議。該協議規定通信器傳送和接收數據、處理數據流、重復傳送、校驗以及數據透明的方式。該協議還可用于點對點通信和多點網絡通信，并采用查詢方式。用戶可自己編寫通信協議來替代ConfiTalk。
Pyramid:通信器S1503出廠時預裝的標準應用程序。安裝了Pyramid的S1503在閱讀在標簽或檢測到運動時，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行ConfiTalk命令。
1.2 S1503編程控制原理
在CONFIDENT系統中，如何編程控制通信器是關鍵，有四種控制方式可供選擇。
（1）利用用戶編寫的通信器應用程序
該方式是利用用戶在Confilib庫函數基礎上編寫的應用程序取代標準通信器應用程序Pyramid，所有邏輯判斷均由用戶所編寫的通信應用程序完成。主機可不定期地連接到通信器上讀取通信器記錄信息，并更新通信器數據庫。該方式的優點是：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庫函數開發的主機應用程序
在該方式中，通信器S1503利用Confilib庫函數或其它軟件開發的主機程序進行控制，系統的智能部分在主機，通信器不做任何邏輯判斷。當主機應用程序調用Confilib函數時，自動將Confilib命令翻譯成ConfiTalk命令，然后傳遞給S1503，S1503根據該命令執行對應的Confilib命令。這種方式的優點是：與通信器應用程序Pyramid控制方式相比，擁有更加方便的界面，主機應用程序更加便于開發、調試；缺點是：執行速度慢。
（3）利用主機應用程序與標準通信器應用程序Pyramid通信
這種方式與第二種方式相似，主要區別在于主機與S1503的標準應用程序Pyramid通信，而不是直接同Confilib通信。主機應用程序與通信器標準應用程序通過互送郵件實現通信。采用這種方式，其優點是：主機應用程序簡單，部分邏輯判斷可交給通信器應用程序，從而獲得較快的運行速度；缺點是：Pyramid郵件不支持寫標簽和數據庫管理功能。不過，這些功能可通過Confilib/Confitalk命令實現。
（4）利用用戶協議
這種方式除了通信器中的Confilib之外，所有軟件均由用戶編寫。當系統使用ConfiTalk以外的協議時，采用這種方式。該方式的優點是：可實現通信器ConfiTalk以外的協議通信；缺點是編寫程序量大、開發周期長。
在實際應用中，可根據用戶實際需求，選擇適合要求的編程控制方式。在本系統中，采用了主機應用程序與標準通信器應用程序Pyramid通信的控制方式，既保證了系統有較快的執行速度，又實現了主機與S1503的信息交換。
1.3 S1503應用編程
S1503程序庫的核心是一個被稱作事件器的模塊，其絕大部分應用是由事件驅動的。事件是指正常程序運行以外不定期定義的事件，事件的產生可以來自外部（如按鍵），也可以來自內部（如定時器）。Confilib庫中有七個模塊產生事件，可能產生的事件包括：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(設置的計時器到達時間)、Tag（成功閱讀到一個標簽）、Tamper_Switch（防護開關動作）、Null_Event（自上次查詢后，沒有事件發生）、Reset_Event（系統復位）。除防護開關動作外，其它所有事件模塊必須經過初始化后才能夠產生事件。當事件產生時，系統及時響應并存入通信器事件處理器，應用程序通過調用Bsw_Event_Handler_Get_Event()從通信器讀取事件，若有事件發生，該函數返回其事件類型、相應數據，否則返回Null_Event。因此，通信器應用程序應是一個等待事件的死循環，當事件發生時，應用程序調用適當的事件處理程序來響應該事件。在本系統中，考慮到實現情況和需求，S1503的應用程序采用了通信器自帶的標準應用程序Pyramid，這樣既保證了系統有較快的運行速度，同時也降低了應用編程的難度。
1.4 S1503通信編程
當通信器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庫函數所支持的動態緩沖區；（2）利用用戶通過所提供的串行通信接口字節級設備驅動函數自定義的通信協議；（3）利用CONFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統。在本系統中，采用了第三種方法。通信器通過調用函數Msw_Mail_Init、Mws_Mail_Send以及Msw_Mail_Receive等來使用郵件交換系統。使用郵件交換系統的前提是系統至少有一個空閑的動態緩沖區。在初始化郵件系統時，函數將占據編號最高的動態緩沖區。
2 電子標簽S1251
S1251是一種形似信用卡的電子標簽，其結構示意圖如圖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位數據，相當于82個7位ASCII字符和32位校驗和。該標簽還可通過微波器進行格式化，用戶可根據對內存模式、響應時間、響應模式以及數據速率等的要求設置標簽的工作模式。該標簽使用對環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簽。在該系統中，每一車輛都有唯一的電子標簽與之一一對應。車輛的有關信息（包括唯一標識號）存儲在電子標簽中，通信器通過與電子標簽進行微波通信來識別標簽并對車輛進行管理。
電子標簽S1251不停地將數據反射到任何CONFIDENT通信器（在該系統中為S1503），不管通信器工作在工作頻率為2.435～2.465GHz范圍內的哪一個頻道，只要S1251在通信器天線波束范圍內，則通信器均能夠讀到標簽信息。標簽反饋到通信器的信息包括出廠前指定的標簽的唯一標識號、讀/寫標簽的“數據”以及標簽的“狀態”域。上述標識號、數據以及狀態域構成標簽的“識別信息幀”。標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S1251被格式化為隨機間隔時，在同一天線波束內可同時閱讀多個標簽；若同一通信器天線波束內有四個以上的標簽時，則應將標簽的識別信息幀之間的間隔設置長一些，以免發生識別錯誤（主要指替代錯誤）。
3 門禁系統設計
門禁系統的設計涉及到硬件組裝和軟件編程。硬件組裝
主要包括車場調度室計算機與通信器的連接，通信器、電子標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；電子標簽安裝在車輛前面的擋風玻璃下方，以便與通信器進行通信。電子標簽在安裝前最好進行初始化，在該系統中，初始化工作是通過通信器自帶的標準應用程序Pyramid手工輸入完成的。為了確保系統有較快的處理速度，通信器由自帶的標準應用程序Pyramid控制，主要完成系統和電子標簽的初始化以及電子標簽的檢測等。故在該系統中，軟件編程主要是指通信器與主機的通信編程。
3.1 硬件連接結構
門禁系統包括通信器（S1503）、電動門和若干標簽（S1251）。硬件連接結構示意圖如圖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控制。
3.2 工作原理
通信器內有數據庫，內部存有合法車輛的車牌號信息和車輛唯一標識碼，電子標簽安裝在車輛前擋風玻璃內適當位置并與車輛一一對應，主要是記錄每個車輛的信息數據（包括唯一標識碼）。在通信器的控制范圍內，電子標簽能與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控電子標簽來監視車輛的進出場動作。當監測到有車輛出入時，通信器接收電子標簽所送的信息數據，將所收到的數據與數據庫中的數據進行比較，確認是合適車輛后，繼電器閉合，接通電動門電源，電動門打開，給予放行，并向主機發送車輛的進出場信息；當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，而是向主機發送提示信息，發出聲音警告。
3.3 軟件編程的實現
軟件編程主要實現的功能是：通信器檢測到電子標簽后，生成標簽記錄；將標簽記錄以郵件的形式提交給主機；主機接收到郵件后，對郵件內容進行處理，并將處理結果顯示在主機屏幕上。
在該系統中，利用CONFIDENT軟件庫提供的郵件交換系統實現通信器S1503與主機的通信。使用郵件交換系統的程序流程圖如圖6和圖7所示。其實現功能是主機接收到通信器送來標簽郵件后，立即對郵件內容進行處理，并將與標簽對應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生矛盾，系統規定：每當空格鍵被按下時，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簽事件。并將標簽數據通過郵件發送給主機，主機通過郵件將通信器設置為非安靜模式并在通信器為非安靜模式時讀取標簽數據郵件。在程序實現時，利用定時器事件，主機應用程序每隔30秒自動輸入空格鍵來達到此目的。
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