IC卡門禁系統的設計與實現
閱讀：2259發布時間：2009-7-31
隨著智能化、數字化信息社會的到來，“卡”已逐漸深入到了人們生活的方方面面，比如，金融領域的牡丹卡、長城卡、龍卡等等，還有各種卡、IC卡電表、用于防盜汽車上的開車門/啟動鑒別的IC卡等等。毫不夸張地說，人類將走向“卡”的世界。
人們可以持卡購物，持卡消費，持卡進出某特定場合，如賓館，飯店，實驗室等等。卡既可以代表著一個人的身份，代表著一個人的擁有，也可以代表一個人的某種“特權”。人們正在一步步地適應著卡，也漸漸地離不開卡。
卡是實現智能化管理和自動化管理工作的一種重要手段。在需要掌握和控制人員出入情況的場所，比如人員階段性流動的實驗室，賓館的客房，有特殊需求的保密部門等等，如果使用卡開啟門，代替傳統的出入證和鑰匙，就能使管理工作實現自動化、智能化。不但用者方便，管理者也方便，而且工作效率和安全性都可以大大地提高。
下面介紹的IC卡門禁系統就是一個安全、可靠的電子門鎖系統。使用該系統，可以方便地管理和控制整個大樓的大門及各房間門的人員進出情況，驗明出入人員的身份和出入權限，并進行登錄。為查閱各門的出入情況，進行責任追查提供了極大的方便。
一、系統簡介
IC卡門禁系統是一種利用計算機進行身份驗證，實現開/關門、登錄用戶進出門信息的自動化管理系統。
該門禁系統的主要硬設備由一臺計算機作為管理計算機（又稱主控計算機）和若干臺分控計算機（又稱子控模塊）組成。子控模塊負責各受控門的讀卡（即識別進門鑰匙）、開門、關門和登錄工作。主控計算機負責各門禁子系統的初始化和工作方式的設定（如延遲時間等），以及重新設置系統數據和獲取各門禁子系統的登錄信息等的管理工作。
一個受控門和其對應的一個讀卡器，構成一個門禁子系統，用于管理一個門。每個門禁子系統在子控模塊的控制下獨立工作（即開門、關門、登錄信息等）。一個子控模塊可以控制一個門禁子系統，也可以控制兩個，甚至三個門禁子系統。
整個門禁系統可以配置多個子控模塊，比如，如果配置128個子控模塊，每個子控模塊控制3個門，那么zui多可以控制128*3個門。
子控模塊是該系統的設備，它全天24小時工作，充當電子門衛的作用。因此，它的性能直接影響整個系統的穩定性。在制作或選用硬件時，要特別注意。目前，市場銷售的，由中國臺灣威達集團生產的牛頓7000系列產品I-7188，可以作為IC卡門禁系統的子控模塊，而且性能比較穩定，價格也比較適中。
主控計算機不必對各子系統進行全天控制，僅在系統初始化、重新設置系統，修改系統數據，以及需要獲取各門禁子系統所登錄的進出門信息等操作時，才通過通信控制軟件與各子控模塊進行通信聯絡。因此主控計算機不作為該門禁系統獨占的設備，可以兼作它用。在任一臺普通的個人計算機（486以上）中安裝本系統的控制軟件，都可以充當主控計算機使用。
二、系統結構
為了使整個系統更具有安全性和靈活性，增強系統的適應性，IC卡門禁系統應當設計成一個層次式的分級管理系統。低層管理由子控模塊完成，主要負責管理受控門和進出門的登錄工作。
高層管理由主控計算機完成，主要負責整個系統的控制、協調管理工作。
這種分層管理模式，可以減小主控計算機的負荷，減少設備數量，降低系統制作成本，同時也提高了系統的效率和可靠性。而且，用戶可以根據實際需要，方便地、靈活地配置系統硬件。 采用這種設計方案，系統結構大致如圖一所示。
三、系統功能
IC卡門禁系統是一個管理多個受控門的電子門鎖系統，每個欲進入受控門的人員（即用戶），必須向管理者（或其*者）提出申請，并領取一張IC卡（即電子鑰匙）。持卡者將IC卡插入受控門的讀卡器內，經門禁子系統驗明IC卡正確無誤后，受控門方能開啟。設計一個完善的IC卡門禁系統應當考慮以下幾個方面。
1、IC卡的管理功能 IC卡管理功能主要完成對用戶IC卡的管理工作，包括對每張IC卡數據信息的生成，登錄，驗證和修改等等。每個用戶可以擁有用戶號、密碼和開門權限（如可以進哪個門，哪幾個門）和允許進門的時間段等。這些數據有的可以直接記錄在用戶所持有的IC卡上，有的可以記錄在系統表格中。 為了便于用戶操作，還應當配有信號指示燈，當用戶插卡要求開門時，根據指示燈的顏色、亮滅、閃爍等不同情況，直觀地顯示IC卡的工作狀態，供用戶自我判斷操作正誤。
2、配置管理功能 配置管理功能完成主控計算機對各子控模塊工作方式的設置、控制和查詢其工作狀態，以及收集接口設備傳來的數據，并向其它設備提供配置等工作。
3、安全管理功能 安全管理功能主要通過驗證用戶號和密碼的一致性、每張IC卡的有效期、記錄非法操作等，對整個系統提供安全保障，保證系統正常工作。
4、監控管理功能 監控管理功能使管理者可在主控計算機上監測各受控門的性能和工作狀態，查詢各受控門人員的出入信息（包括持卡者、入門號、入門時間等）。
四、系統特點
1、安全性 設計一個門禁系統，首先要考慮的是系統安全性，即能否有效地控制人員的出入，并掌握其出入信息。
因為IC卡門禁系統是一種智能化的電子控制系統，可以充分利用計算機的“智能”，同時采用多種手段進行控制，以確保系統的安全可靠。其中zui簡單而又有效的是以下幾種手段。
一是通過IC加密卡中設置的密碼，進行身份驗證，若密碼核對幾次（一般為三次）之后仍不正確，該卡將被自動燒毀不能繼續使用。這樣就可以有效地防止盜用用戶信息的惡意驗證。
二是利用系統中的用戶權限表可再次認證持卡人是否能進該門。
三是每張IC卡上都設置有效使用期限，若IC卡超過了有效期，則該用戶的所有資料將從門禁子系統控制模塊中自動刪除，本卡作廢。
2、可靠性
可以從軟件和硬件兩個方面來考慮。
硬件的可靠性，除了電控鎖等機械部件之外，主要考慮子控模塊的制作和選用，因為它要全天24小時不停地工作，所以對其性能要求較高，應能滿足環境的溫度、濕度的變化，以及抗電磁*力強等。如果選用牛頓7000系列模塊作為子控模塊，因為這種模塊有很強的自適應功能，能夠自動調節不同波特率的信號，還有各種保護電路等等，足可以保證低層管理工作的需要。
軟件設計的可靠性，主要考慮各種狀態信息的獲取和維護，通信協議的設計是否規范，各種特殊情況的處理是否合理等等。比如，為了確保主控計算機與子控模塊之間的通信準確無誤，可以采用自動重發糾錯機制，有效地消除門禁子系統和管理計算機同時在網絡中工作時可能出現的信號沖突。
3、靈活性
由于系統中所有數據信息的設置和管理都是通過主控計算機與子控模塊之間的通信完成的。管理者便可以根據自己的需要，自由地設置密碼、用戶權限、門鎖延遲時間等。同時主控計算機和子控模塊平時各自獨立工作，僅在設置子控模塊中的初始數據，修改子控模塊中的數據，獲取子控模塊中所記錄的信息等情況下，二者才需要相互通信，進行信息交流。這種設計方法給系統帶來很大的靈活性。
4、并行性
為了降低硬件成本，可以將一個子控模塊設計成同時控制多個門，比如，使用I-7188作為子控模塊時，一個子控模塊可以同時控制三個門，實際上，這樣配置相當于一種宏觀上的并行處理機制。
5、多功能
用戶權限表可由管理者任意設置，使用起來非常靈活，很容易滿足“一門一卡”、“一門多卡”、“多門一卡”等不同的要求。
6、可擴充性
用戶的需求是不斷變化的，在設計系統時應留有一定的余地，保證用戶的動態需求。比如，系統中的每個子控模塊都有*的地址，需要增加受控門數時，只要增加相應數量的子控模塊和門禁子系統，并給子控模塊分配*的地址即可。如果采用牛頓7000系列工控模塊作為子控模塊，一個RS485網絡上可掛256個模塊。
五、硬件簡介
IC卡門禁系統的大多數硬件都可以自己動手制作，也可以選用市售產品。下面向大家介紹幾種可用于制作IC卡門禁系統的硬件產品。 中國臺灣威達工控集團生產的牛頓7000系列產品由能完成分散數據采集及系統控制的眾多模塊（module）組成，所有模塊的規格均為102 2 5mm，它們能提供A/D、D/A、DI/O、Timer/Counter等許多功能，通過一套命令集，可以遠程控制這些模塊的工作。在IC卡門禁系統中，可以使用其中的I-7188、I-7060、I-7520三種模塊。
1．7188
7188是一種工業應用的嵌入式控制器（embeded controller）。
它內嵌了AMD的80188CPU，主頻40MHZ。內部置了ROM-DOS操作系統和ROM-DISK（192K），所以用戶程序zui長可達192K。并且提供了256K SRAM和256K FlashROM（可擴充至512K），還有1K的EEPROM，實時時鐘控制器（RTC）；還提供一個RS485端口，三個RS232端口（其中一個可選RS485口）；這使得它可以與各種帶RS232/485的智能儀器通訊，作為協議轉換器使用。除此之外，還有電源保護電路，RS485網絡保護電路等等。特別是，它支持應用程序從PC被下載（download）至7188模塊內，允許用戶創建RAM-DISK，使用起來非常方便。 其中7188D型的模塊還帶有五位七段數碼LED顯示。電源需求+10V~+30VDC，功耗2W或2.2W。
2．7060
7060是一個繼電器（relay）輸出/隔離數字（isolated digital）輸入模塊。 它有四路單端數字輸入，四路繼電器輸出，能同時控制四路繼電器設備工作。高電平3.5V～30V；低電平0～1V，輸入隔離電壓3750Vrms，輸入阻抗3K歐，功耗0.8W，電源10～30VDC，利用該模塊可以很方便地控制電控鎖的開/合狀態。
3．7520
7520是RS232到RS485的協議轉換模塊。其一端為RS232標準，另一端為RS485標準，內置“self tuner”芯片，自動在300～115200 BPS之間轉換。電源+10V～+30VDC，功耗2.2W，利用該模塊可以完成通信接口的協議轉換。
4．RS485網絡
RS485是功能強大，而且使用靈活的二線（two-wire）網絡。 它支持多種波特率多種格式的數據傳輸。所有的模塊通過485端口和各自*的地址號共享網絡上的信息。在不需中繼（repeater）的情況下，一個RS485網絡上可掛256個模塊，通信距離為1.2公里。
5．IC卡讀寫機
SURE系列全功能智能卡通用讀寫機具有DES加密算法功能和數據存儲功能，該讀寫機能夠對各種IC卡進行讀、寫、修改操作，同時該讀寫機還提供多種PC機語言接口函數，便于用戶二次開發應用程序
六、軟件簡介
IC卡門禁系統的軟件設計，按功能可分成三大部分，置于子控模塊內的門禁子系統控制和登錄進出門信息的程序，以及置于主控計算機內的IC卡發放管理程序（設置IC卡）和系統管理、監控程序。按性能要求，可以分別采用C、VB、ACCESS等語言編程實現。
要注意的是，在設計子控模塊的管理程序時，由于通用讀寫機提供的IC卡接口程序只能用在PC機上，而工控模塊7188內部結構與PC機不同，所以不能直接使用通用讀寫機提供的現成的接口程序，用戶必須重新設計IC卡操作的接口程序。
在設計通信程序時，子控模塊與主控計算機之間的通信協議可以采用zui簡單的停止等待協議，通過設置現場信息等手段，保證通信的可靠無誤。 系統中主要的數據結構是用戶權限表，它包含有用戶號、IC卡有效期、IC卡密碼等字段。該表應該存放在子控模塊中（比如I-7188的FlashROM內），但由主控計算機利用通信軟件進行管理。
幾個主要程序的流程如下：
1、插卡事件的處理流程
注：設置有/無卡標識的目的是防止某用戶忘記拔卡，而反復讀卡造成記錄數據區上溢，沖掉早先的記錄。
2、7188內的主控模塊處理流程
系統為每個受控門設置并維護一個狀態信息結構，輪回查看其工作狀態，保證其宏觀上運行的并行性。
經設計和測試，該IC卡門禁系統*達到實用要求。實際上，這個系統不僅可用于門禁管理，略加改造，還可用于考勤等其它場合。
