防復制電梯IC卡智能控制系統(tǒng)設計　

作者 常國權 張捐凈 安陽工學院計算機科學與信息工程學院(河南 安陽 455000)

*基金項目：2016河南省高等學校重點科研資助項目(編號：16A520034)

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

摘要：為了實現(xiàn)對電梯的安全性、可靠性和智能化管理，采用IAP15F2K61S2單片機、MFRC500射頻芯片、繼電器、實時時鐘、存儲器模塊等設計了一種智能電梯刷卡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別不同權限的IC卡實現(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卡被復制，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。經(jīng)過在多個小區(qū)的實際使用證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作方便，達到了實際使用要求。

引言

　　隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層建筑逐漸成為房地產(chǎn)開發(fā)和消費的主體，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)投入運行^[1]。為了能對高層建筑的電梯實施更有效、更節(jié)能、更安全的規(guī)范化管理，本系統(tǒng)采用IAP15F2K61S2單片機、MFRC500射頻芯片、繼電器、實時時鐘、存儲器模塊等設計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卡被復制，一卡一密，復制的UID卡和FUID卡無法使用，電梯控制系統(tǒng)具有比對時間、地址、序列號、存儲刷卡記錄、緊急開放開關等功能;IC卡刷卡可按日期、按消費次數(shù)、按權限等使用，系統(tǒng)可以通過RS485網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)如提取、管理刷卡記錄等功能。該系統(tǒng)可以對電梯實施有效的管理和控制，提高其運行效率，節(jié)省費用開支，實現(xiàn)電梯管理科學化、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、上位機管理軟件三部分組成。發(fā)卡器設計包括USB通訊接口的設計、LED指示燈系統(tǒng)設計、射頻發(fā)卡系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計及相應的通訊協(xié)議設計等，發(fā)卡器和上位機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高速單片機和NXP公司生產(chǎn)的MFRC500讀卡芯片來設計，電梯控制器還包括DS1302時鐘模塊設計、MAX485模塊設計、DC-DC電源轉換模塊設計、AT45DB16存儲器模塊設計、16路繼電器模塊設計、信號驅動模塊、擴展接口模塊、緊急開放模塊以及相應的軟件系統(tǒng)設計等。

　　上位機管理系統(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)卡器可以實現(xiàn)用戶登錄、系統(tǒng)管理、設備管理、用戶管理、刷卡記錄管理、修改權限以及讀卡、發(fā)卡、回收、掛失、解掛等功能。系統(tǒng)的總體結構示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)電源設計

　　由于系統(tǒng)的IAP15F2K61S2單片機、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，電源設計采用了效率更高、輸入范圍更寬、功能更強的DC-DC轉換器LM2596-5.0。LM2596系列是美國國家半導體公司(現(xiàn)已被TI公司收購)生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準穩(wěn)壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(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)電源設計原理圖如圖2所示。

2.2 MFRC500電路接口設計

　　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，它是指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051的增強型單片機，它具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點。內(nèi)部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合[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、設備地址、設置參數(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，和單片機接口支持擴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，單片機的P0口連接MFRC500的D0~D7，地址和數(shù)據(jù)復用，NWR、NRD及ALE引腳用單片機的通用IO口控制即可^[5]。MFRC500具有工作穩(wěn)定、讀卡距離遠(距離可達10cm)等優(yōu)點。MFRC500電路接口設計原理圖如圖3所示。

2.3 主控繼電器擴展電路接口設計

　　為了適應不同樓層的電梯，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路繼電器擴展板”的方式，擴展板之間可以實現(xiàn)級聯(lián)擴展樓層范圍，方便管理，最多可以擴展到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展板以及擴展板與擴展板之間的信號干擾，主控板和擴展板之間采用了光耦隔離，并采用74HC245作為驅動器，防止信號衰減，保持信號穩(wěn)定可靠。IAP15F2K61S2單片機P3.3、P3.4和P3.5引腳分別作為三個光耦的輸入端，光耦輸出信號經(jīng)過74HC14D進行反相，再經(jīng)過74HC245驅動后送入擴展板的74HC595芯片實現(xiàn)串轉并。主控繼電器擴展電路接口設計原理圖如圖4所示。