摘 要： 提出了一種基于紅外感知與無線應答的非接觸式門禁系統(tǒng)設計方案,。本系統(tǒng)實現(xiàn)了利用紅外感知與無線設備開啟門禁系統(tǒng)的功能,。該門禁系統(tǒng)主要是由感知控制和應答模塊組成。本文給出了應答和感知控制模塊的設計電路及工作流程圖,，詳細分析了紅外識別電路的原理,，并介紹了NRF905無線通信模塊的設計原理。本系統(tǒng)設計方案合理,，安全可靠,。實際結果顯示，此設計方案能滿足實際生活中的需要并有很大的市場應用空間,。

　　關鍵詞： 89C52單片機,；紅外線感知；非接觸式門禁系統(tǒng),；無線應答

0 引言

　　隨著人們生活水平的提高和科學技術的日益發(fā)展,，傳統(tǒng)的芯片IC卡門禁系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了廣大群眾的需求，市面也涌現(xiàn)了一些新的門禁系統(tǒng),，如指紋門禁系統(tǒng),、人臉識別門禁系統(tǒng)和汽車上的免持式被動門禁系統(tǒng)[1]。由此帶來的便利性和成本問題也越來越受人們的關注,。

　　本設計方案——基于紅外感知與無線應答的非接觸式門禁系統(tǒng)設計,，既能很好地擺脫傳統(tǒng)機械鎖的束縛，又能增大門禁系統(tǒng)使用的便利性,，實現(xiàn)不用刷卡或是其他接觸的裝置,，只要用戶出現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)就能使得門禁開啟的功能。與市面上其他門禁系統(tǒng)（如指紋門禁系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)等）相比,，它具有價格低廉,、安裝簡單、使用方便且安全性能有保障的特點,，具有很好的市場潛力和發(fā)展空間,。

1 系統(tǒng)的硬件設計

　　1.1 非接觸式門禁系統(tǒng)的工作原理與流程

　　非接觸式門禁系統(tǒng)主要包括應答和感知控制兩個主要模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示,。感知控制和應答模塊中都只有一個無線通信NRF905裝置,，圖中為便于理解，每個模塊給出兩個裝置,。首先,，攜帶有效應答模塊的人出現(xiàn)在感知控制模塊的紅外線識別器的有效范圍內(nèi)，門禁系統(tǒng)啟動無線通信裝置NRF905,，并由它發(fā)出具有識別信息的信號,，應答模塊中的NRF905接收到信號，判斷是否為有效信號,，如果是,，就發(fā)射具有識別信息的信號給感知控制模塊，再進行辨識,，如確定為有效信號則開啟門,。

　　1.2 應答模塊設計

　　應答模塊由微控制器、無線通信電路以及兩處穩(wěn)壓電路組成,，電路圖如圖2所示,。由于應答模塊是攜帶于人身上的，故要求功耗小,，較易于攜帶,，這里選用STC89C52單片機，它是帶8 KB閃存,、可編程,、可擦除、只讀存儲器的低電壓,、高性能的單片機,，且其價格低廉，廣泛用于各種自動化及電子產(chǎn)品中,。

　　本模塊采用鋰電池供電,，其優(yōu)勢在于可以充電，用戶沒必要買新的電池,，節(jié)能環(huán)保,。單片機STC89C52的輸入電壓要求是5 V,，故使用意法半導體公司的L7805穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)定鋰電池的輸出電壓,，供單片機使用,。另外，這里采用的無線收發(fā)裝置是杭州金龍電子有限公司的KL-NRF905模塊,，其最低工作電壓是3.0 V,，用AMS（奧地利微電子）公司的AMS1117-3.3的穩(wěn)壓芯片，將 5 V轉(zhuǎn)成3.3 V供NRF905使用[2],。

　　KL-NRF905是使用挪威Nordic公司的NRF905芯片開發(fā)而成的,，主要用于433、868,、915 MHz的開放ISM頻段（Industrial Scientific Medical Band）,，可免許可證使用，且其內(nèi)置硬件CRC（循環(huán)冗余校驗碼）檢錯和點對點通信地址控制,，工作特點是自動產(chǎn)生前導碼和CRC,，可以很容易地通過SPI（串行外設）接口設置其地址,，這樣保證了無線通信的安全性,；另一方面，KL-NRF905的特點是低功耗性,，在供電為3.3 V時待機模式下電流僅為2.5 μA,，收發(fā)模式切換時間小于50 μs，在發(fā)射功率為+10 dBm時電流為30 mA,，接收數(shù)據(jù)時為12.2 mA,，實驗測得，在鋰電池容量為3 000 mAh時,，能使用大約4 000次,，完全滿足生活需要。

　　KL-NRF905共有4種工作模式, 其中有2種活動模式（RX/TX模式）和2種空閑模式,，軟件設置LED1為接收數(shù)據(jù)的指示燈,，LED2為發(fā)送數(shù)據(jù)的指示燈。模塊的工作模式由PWR-UP,、TRX-CE和TX-EN三個引腳共同確定,，見表1。

　　其中,， ShockBurst TX 為發(fā)送數(shù)據(jù)活動模式,， ShockBurst RX 為接收數(shù)據(jù)活動模式。

　　1.3 感知控制模塊設計

　　感知控制模塊由微控制器,、無線通信電路,、穩(wěn)壓電路,、繼電器控制電路和熱釋紅外識別電路組成。同樣這部分的微控制器是STC89C52型單片機,。感知控制模塊的電路圖如圖3所示,。無線通信裝置與應答模塊中的原理和功能類似，兩模塊中的KL-NRF905,，當其中一個作為發(fā)送裝置時,，另外一個則為接收裝置；當一個作為接收裝置時,，另外一個則為發(fā)送裝置,。此外，穩(wěn)壓電路部分和發(fā)送與接收指示燈部分功能和原理都是相同的,，這里不重復介紹,。

　　感知控制模塊包含熱釋紅外識別電路。眾所周知,，自然界凡是溫度高于絕對零度的物體都會放出紅外射線,，且具有不同溫度的物體發(fā)出的紅外射線波長也是不同的，本系統(tǒng)利用這一點,，選擇紅外傳感器對人體的存在信息進行探測,。本模塊采用的是聚英電子型號為HC-SR501的紅外傳感器，其工作原理是：人體體溫一般是37℃左右,，會發(fā)出波長大約為10 μm左右的紅外射線,，紅外探頭的熱釋電元件在接收到變化的紅外輻射時會向外釋放電荷，導致電荷量不平衡,，產(chǎn)生電勢差,。HC-SR501為雙元件設計，在它內(nèi)部有兩個電極化方向恰恰相反的熱釋電元件串聯(lián)在一起,，環(huán)境輻射作用于兩個熱釋電元件的影響基本相同,，即它們產(chǎn)生的熱釋電效應是相互抵消的，這時,，沒有電勢差輸出,，也就消除了環(huán)境輻射對整個傳感器的影響，另外還要增設一個菲涅爾透鏡,，使紅外線聚焦于探頭,，提高了紅外探頭靈敏度[3]。安裝時,，把探頭面朝外,，有效范圍為室外，另外通過設置的感應封鎖時間,，避免重復感知和開啟門的發(fā)生,。

　　感知控制模塊還包括繼電器電路,，這里使用的是深圳市鎧新興電子有限公司的松樂繼電器SRD.12 VDC.SL-C，繼電器的功能是完成對電控鎖的開啟,，而門的關閉則由門上的機械臂自動完成,。

2 系統(tǒng)的軟件設計

　　2.1 感知控制模塊和應答模塊工作流程圖

　　圖4和圖5分別是感知控制模塊和應答模塊的工作流程圖。

　　2.2 無線通信電路程序設計

　　2.2.1 SPI接口配置

　　在使用KL-NRF905之前需對其進行配置,，這些配置都是通過單片機SPI接口發(fā)給KL-NRF905的,，SPI的工作方式可以由SPI的指令進行設置，即使KL-NRF905處于空閑或關機狀態(tài),，SPI仍然可以保持工作狀態(tài),，SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器,、發(fā)送地址寄存器,、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個寄存器組成。

　　本設計中選用的STC89C52單片機并沒有SPI接口,，要對KL-NRF905進行操作就要了解時序和配置參數(shù),，并用軟件模擬出SPI接口的工作時序。SPI時序圖[4]如圖6和7所示,。

　　在SPI接口的讀函數(shù)中,，簡要分為以下幾個步驟：⑴MISO要準備好數(shù)據(jù)等待無線通信模塊發(fā)送；⑵置高SCK,，主機讀走線上的數(shù)據(jù),；⑶置低SCK,，準備下一位數(shù)據(jù)的接收,。上述步驟要循環(huán)8次才能夠通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)。

　　而在SPI接口的寫函數(shù)中,，簡要分為以下幾個步驟：⑴MOSI準備好需要發(fā)送的數(shù)據(jù),；⑵置高SCK，器件從MOSI線上讀取數(shù)據(jù),；⑶置低SCK,，準備發(fā)送下一位數(shù)據(jù)。上述步驟循環(huán)8次即可完成SPI數(shù)據(jù)的發(fā)送,。

　　2.2.2 KL-NRF905配置

　　要使用好KL-NRF905,，除了配置好SPI接口的寄存器，還要對通信模塊內(nèi)部的寄存器進行合理的設置,，限于篇幅此處不過多介紹,。

　　對器件內(nèi)部寄存器的編程合理設置后，就可進行信息的傳輸了,。KL-NRF905完成接收數(shù)據(jù)簡要分為以下幾個步驟：⑴TRX-CE低電平,，使得無線通信模塊進入待機模式,，降低功耗；⑵使能SPI接口發(fā)出指令,，準備接收數(shù)據(jù),；⑶連續(xù)8次循環(huán)利用SPI讀函數(shù)，處理器讀取無線模塊收到的數(shù)據(jù),；⑷等待DR和AM管腳重新被置為低電平,。

　　無線通信模塊完成發(fā)送數(shù)據(jù)主要分為以下幾個步驟：⑴通過SPI接口向模塊寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)；⑵循環(huán)利用SPI接口寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)包,；⑶延時,；⑷通過SPI接口將地址信息寫入；⑸采用循環(huán)程序逐位寫入地址信息,；⑹發(fā)送數(shù)據(jù),，發(fā)送完成后模塊會收到一條完成信息，將DR管腳置高,。

3 結論

　　本文介紹了紅外感知與無線應答的非接觸式門禁系統(tǒng)設計,，給出了詳盡的硬件電路和軟件設計。實際應用證明該系統(tǒng)成本低廉,、功耗低,、安全性能符合日常要求,應用市場廣闊，有著很好的實用價值和推廣潛力,。

參考文獻

　　[1] 孔慧芳,，丘宇寧. PKE智能鑰匙系統(tǒng)設計[J]. 微型機與應用，2010,29（20）：103-106.

　　[2] Austria Microsystems. AMS1117-3.3 Datasheets[EB/OL].(2010)[2014-04-01]. http://www.ic37.com.

　　[3] 朱文海. 智能教室燈光控制系統(tǒng)的設計[D]. 武漢：華中師范大學,，2012.

　　[4] Nordic Semiconductor. NRF905 Datasheets[EB/OL].(2006)[2014-04-01]. http://www.nordicsemi.com.