防復(fù)制電梯IC卡智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　

作者 常國權(quán) 張捐凈 安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院(河南 安陽 455000)

*基金項(xiàng)目：2016河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(編號：16A520034)

常國權(quán)(1973-)，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)。

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對電梯的安全性、可靠性和智能化管理，采用IAP15F2K61S2單片機(jī)、MFRC500射頻芯片、繼電器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲器模塊等設(shè)計(jì)了一種智能電梯刷卡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別不同權(quán)限的IC卡實(shí)現(xiàn)對電梯按鍵的智能控制，并采用動態(tài)加密、存儲滾動碼等方式防止IC卡被復(fù)制，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。經(jīng)過在多個(gè)小區(qū)的實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作方便，達(dá)到了實(shí)際使用要求。

引言

　　隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑逐漸成為房地產(chǎn)開發(fā)和消費(fèi)的主體，電梯作為高層建筑必不可少的垂直交通工具，其需求量也日益增長，各種類型規(guī)格繁多的電梯系統(tǒng)已經(jīng)在高層建筑內(nèi)投入運(yùn)行^[1]。為了能對高層建筑的電梯實(shí)施更有效、更節(jié)能、更安全的規(guī)范化管理，本系統(tǒng)采用IAP15F2K61S2單片機(jī)、MFRC500射頻芯片、繼電器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲器模塊等設(shè)計(jì)了一種智能電梯刷卡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用13.56MHz的IC卡作為存儲用戶信息和信息交換的載體^[2]，由發(fā)卡器、電梯控制器、上位機(jī)管理軟件三部分組成。系統(tǒng)采用動態(tài)加密、存儲滾動碼等方式防止IC卡被復(fù)制，一卡一密，復(fù)制的UID卡和FUID卡無法使用，電梯控制系統(tǒng)具有比對時(shí)間、地址、序列號、存儲刷卡記錄、緊急開放開關(guān)等功能;IC卡刷卡可按日期、按消費(fèi)次數(shù)、按權(quán)限等使用，系統(tǒng)可以通過RS485網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)如提取、管理刷卡記錄等功能。該系統(tǒng)可以對電梯實(shí)施有效的管理和控制，提高其運(yùn)行效率，節(jié)省費(fèi)用開支，實(shí)現(xiàn)電梯管理科學(xué)化、規(guī)范化和安全化的目的。

1 系統(tǒng)概述

　　該電梯刷卡系統(tǒng)主要由發(fā)卡器、電梯控制器、上位機(jī)管理軟件三部分組成。發(fā)卡器設(shè)計(jì)包括USB通訊接口的設(shè)計(jì)、LED指示燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)、射頻發(fā)卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相應(yīng)的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)等，發(fā)卡器和上位機(jī)管理軟件按照約定的協(xié)議通訊，共同完成對各種用戶卡和管理卡的發(fā)放、回收等工作。

　　電梯控制器和發(fā)卡器核心部分采用宏晶科技公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2高速單片機(jī)和NXP公司生產(chǎn)的MFRC500讀卡芯片來設(shè)計(jì)，電梯控制器還包括DS1302時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)、MAX485模塊設(shè)計(jì)、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、AT45DB16存儲器模塊設(shè)計(jì)、16路繼電器模塊設(shè)計(jì)、信號驅(qū)動模塊、擴(kuò)展接口模塊、緊急開放模塊以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

　　上位機(jī)管理系統(tǒng)采用VC++6.0和數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成的，采用USB接口和發(fā)卡器通訊，配合發(fā)卡器可以實(shí)現(xiàn)用戶登錄、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、用戶管理、刷卡記錄管理、修改權(quán)限以及讀卡、發(fā)卡、回收、掛失、解掛等功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)的IAP15F2K61S2單片機(jī)、MFRC500射頻模塊、繼電器和DS1302等模塊的工作電壓都是5V，5V電源需要的功率較大，因此，電源設(shè)計(jì)采用了效率更高、輸入范圍更寬、功能更強(qiáng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2596-5.0。LM2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司(現(xiàn)已被TI公司收購)生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路^[3]。AT45DB16存儲器模塊是3.3V工作電壓，由REG-1117-3.3V電源模塊單獨(dú)供電。由于LM2596是寬電壓輸入模塊，因此，系統(tǒng)的輸入電壓的范圍為7.5~40V。D3是防止電源接反保護(hù)二極管，LP1、LP2是系統(tǒng)的LED電源狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.2 MFRC500電路接口設(shè)計(jì)

　　綜合成本、性能等各方面考慮，主控芯片選用宏晶科技公司的IAP15F2K61S2單片機(jī)，它是指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051的增強(qiáng)型單片機(jī)，它具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場合[4]。它內(nèi)部具有2K的RAM、61K的Flash存儲器，支持IAP編程，并可以存儲系統(tǒng)密碼、設(shè)備地址、設(shè)置參數(shù)等。射頻讀卡芯片采用的是NXP公司生產(chǎn)的MFRC500，該芯片為5V工作電壓，和單片機(jī)接口支持?jǐn)U展總線方式和模擬總線方式，此處其采用的是模擬總線方式，單片機(jī)的P0口連接MFRC500的D0~D7，地址和數(shù)據(jù)復(fù)用，NWR、NRD及ALE引腳用單片機(jī)的通用IO口控制即可^[5]。MFRC500具有工作穩(wěn)定、讀卡距離遠(yuǎn)(距離可達(dá)10cm)等優(yōu)點(diǎn)。MFRC500電路接口設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.3 主控繼電器擴(kuò)展電路接口設(shè)計(jì)

　　為了適應(yīng)不同樓層的電梯，方便刷卡控制系統(tǒng)的安裝，繼電器控制板采用的是“主控+16路繼電器擴(kuò)展板”的方式，擴(kuò)展板之間可以實(shí)現(xiàn)級聯(lián)擴(kuò)展樓層范圍，方便管理，最多可以擴(kuò)展到128路，即最多可以支持128層樓，可以滿足大部分高層建筑的需要。

　　為了防止主控板與擴(kuò)展板以及擴(kuò)展板與擴(kuò)展板之間的信號干擾，主控板和擴(kuò)展板之間采用了光耦隔離，并采用74HC245作為驅(qū)動器，防止信號衰減，保持信號穩(wěn)定可靠。IAP15F2K61S2單片機(jī)P3.3、P3.4和P3.5引腳分別作為三個(gè)光耦的輸入端，光耦輸出信號經(jīng)過74HC14D進(jìn)行反相，再經(jīng)過74HC245驅(qū)動后送入擴(kuò)展板的74HC595芯片實(shí)現(xiàn)串轉(zhuǎn)并。主控繼電器擴(kuò)展電路接口設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。