摘要：  为了更好的管理电梯运行，提高住户的居住安全性，设计一种基于GPRS 无线网络，以STC12C5A60S2 单片机为主控制单元、MF RC500 为非接触式读写芯片和GSM/GPRS 无线模块M33作为通讯模块的电梯门禁系统。当终端接收到用户发送的信息时，将自动开启电梯门禁系统并无需任何操作将用户送往相应楼层。该系统具有操作速度快、可靠性高以及使用方便等特点，可做到无线控制，快速进行非接触式门禁卡识别、读写并作出相应的显示和报警，并通过CAN 总线与主控制器进行通讯达到控制电梯的运行，可方便地嵌装在电梯内和电梯门旁，具有很好的应用前景。

关键字：  电梯门禁系统，  GPRS，  射频读卡芯片

为了更好的管理电梯运行，提高住户的居住安全性，设计一种基于GPRS 无线网络，以STC12C5A60S2 单片机为主控制单元、MF RC500 为非接触式读写芯片和GSM/GPRS 无线模块M33作为通讯模块的电梯门禁系统。当终端接收到用户发送的信息时，将自动开启电梯门禁系统并无需任何操作将用户送往相应楼层。该系统具有操作速度快、可靠性高以及使用方便等特点，可做到无线控制，快速进行非接触式门禁卡识别、读写并作出相应的显示和报警，并通过CAN 总线与主控制器进行通讯达到控制电梯的运行，可方便地嵌装在电梯内和电梯门旁，具有很好的应用前景。

1 引言

近年来，中国各大城市楼市蓬勃发展以及人们对住宅楼，办公楼的便利化、安全化和智能化的要求不断增大，而目前人们所乘坐的电梯处于全开放状态，不仅给小孩带来安全隐患或给不法分子留下作案机会，缺乏安全，而且给物业管理带来不便。同时人们在乘坐电梯时，有可能按错楼层键，致使电能浪费，缺乏智能化。针对以上问题，设计了一种基于GPRS、STC12C5A60S2 新一代单片机和MF RC500 高性能的电梯门禁系统，电梯门禁系统能够通过短信方式开启门禁，而且能使其工作在普通刷卡模式，也能工作在按次数、时段或时效刷卡模式，卡片具有次数和时效等相关信息。该电梯门禁系统还能记录用户进出信息，方便物业管理的同时也达到自动化、便利化和安全化的要求。

2 电梯门禁读写器功能分析

智能电梯门禁系统主要由物业管理计算机、GPRS模块、射频卡读写器、Mifare 1射频卡组成。用户通过物业管理计算机领取登记过的用户相关信息射频卡后可以开启电梯门禁，或通过短信方式接收相关信息来开启电梯门禁。用户刷卡时，把授权的楼层信息通过CAN 总线传递给电梯主控制器，用户无需其它操作，直接可达目的地。而建立射频卡与终端设备的桥梁就是射频卡读写器。频卡读写器在此过程中起到承上启下的核心作用，其性能和数据处理能力直接影响到电梯门禁系统的工作质量。

3 硬件电路设计

射频卡读写器硬件结构如图1 所示，主要由主控CPU、GSM 模块、射频卡收发模块、CAN 总线模块、时钟电路、显示报警电路等组成。主控CPU 采用宏晶公司的STC12C5A60S2，它采用最新第六代加密技术，比传统的单片机速度快8-12 倍，具有高速、低功耗、抗干扰等特点，同时内置28KB 容量的E2PROM、60KB 容量的应用程序存储空间、1280 字节片内RAM数据存储区以及含有MAX810 复位电路和高速SPI 串行通信端口，编程支持ISP 下载功能，使用非常方便[1]。

图1. 门禁系统硬件结构框图

射频读卡芯片选用MF RC500。MF RC500 是Philips 公司开发的非接触式读卡器芯片系列的一种，该读卡器利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443A 所有层，内部自带的发射部件能够直接驱动天线，操作距离达到10cm，不需要增加额外的驱动电路。同时还具有方便的并行接口，可直接连接到任何8 位微处理器，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性[2]。

由于可以设置STC12C5A60S2 中的AUXR 寄存器来允许或禁止使用内部扩展的1024 字节RAM 数据存储区，因而可以防止MF RC500 和微处理器内部的RAM 发生总线冲突。所以与主控CPU 的接口可以采用总线扩展方式，即用单片机的P0 口和MF RC500的D0～D7 相连，用P5.2、P4.2、WR、RD、ALE 等作为控制线分别与MF RC500 的NCS、RSTPD、NWR、NRD、ALE 等相连。采用总线扩展方式对射频卡芯片内部寄存器操作犹如对微处理器对内部寄存器操作一样，非常简便。另外，MF RC500 支持三种总线控制信号，分别为独立的读和写选通信号，共用的读和写选通信号和带握手的共用读和写选通信号，这三种信号的选择由控制脚上的逻辑电平决定。本设计使用独立读和写选通信号，并采用复用地址总线，即将MFRC500 的A2 接地，A1 和A0 接电源信号。

GPRS 模块主要采用Qisda 公司的M33 模块，利用STC12C5A60S2 微处理器的双串口特性，能快速高效的与其通讯。

CAN 控制器选用微星科技公司生产的MCP2515。它是一款独立控制局域网协议控制器，完全支持CANV2.0B 技术规范，且自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器，可以滤掉不想要的报文[3];另外它通过业界标准串行外设接口(SPI)与STC12C5A60S2的SPI 串行通信端口相连，从而减少了MCU 的软件和硬件的开销。在CAN 总线通信接口中，MCP2515控制器通过与高速CAN 收发器MCP2551 相连，实现读写器设备与电梯主控制器数据通讯，远端的电梯主控器可以随时了解读写器的状态。

时钟芯片选用RS5C372A。RS5C372A 是由理光公司生产的一款低功耗实时时钟芯片。它与同类型其它芯片相比具有准确的时间调整功能，保证在晶振有误差的情况下，对内部的时钟寄存器进行相应设置，即能实现时间的准确。

LCD 采用的是不带字库的12232 液晶显示模块，所使用的驱动器是SED1520，SED1520 可直接与8 位微处理器相连，集行、列驱动器和控制器于一体，因此使用起来十分方便。

4 软件设计

4.1 软件总体

由于本系统应用在门禁系统中且采用模块化的设计思想，所以系统软件包括主程序、GPRS 数据传输和分析子模块、MF RC500 识别及读写子模块、MCU的E2PROM 读写子模块、通信子模块、时钟读写子模块、LCD12232 显示子模块子模块等等，下面主要对前三个程序子模块进行介绍。

主程序主要对各个模块进行合理安排，协调各个模块之间的工作。系统上电后，首先对各个硬件设备的初始化，然后进行工作循环，在工作循环实时感应射频卡和通过串口中断的方式来响应管理员或用户发送的短信。

图2. 软件总体结构流程图

4.2 读卡器软件设计

在射频卡读卡器的软件设计中，STC12C5A60S2和MF RC500 之间的通信非常重要，本设计使用总线操作方式，可以轻松的实现对MF RC500 相关寄存器的控制，完成对射频卡的读写等各种操作。其操作流程可分为复位和初始化、发送Request 指令寻卡、防冲突、选卡、相互认证和对射频卡中的数据块进行读、写、加值、减值、挂起等相关控制操作[4]。射频卡读写流程如图3 所示。

图3. 射频卡读写流程图

在每次上电复位后，MF RC500 检测当前MCU 的接口类型，根据接口类型使用相应的控制信号初始化MF RC500 的各寄存器，然后发送Request 指令在天线的感应范围内寻找射频卡，如有卡存在则会接收到2字节卡片的类型号。当有多张卡片同时接近读卡器时，MF RC500 执行防冲突操作，若执行无误则会接收一张卡片的序列号，使读卡器根据序列号选中一张卡片，此时被选中的卡进入激活状态，接着确定要访问的扇区并对该扇区密码进行校验，经过三次相互认证通过后，方可进行读、写、加、减等操作。操作完成后，MF RC500 发出Halt 指令，射频卡就退出激活状态，一次操作随之结束。

4.3 MCU 的EEPROM 读写程序

STC12C5A60S2 单片机内含28KB 容量的EEPROM，可以利用ISP/IAP 技术对EEPROM 区进行字节读写和扇区擦除，擦写次数达10 万次以上。EEPROM 的一个基本的操作流程包括使能ISP/IAP、装载所要读写的地址、设置控制命令、触发ISP/IAP命令和关闭ISP/IAP。由于MCU 对EEPROM 进行操作时需保证一定的电压才有效，否则MCU 不执行此功能，但会继续往下执行程序，并且在本设计中，EEPROM 存储着用户身份等非常重要的信息，所以在写入数据时为确保数据准备无误地写入，需将数据先从它所对应的扇区中读取出来，暂时存入RAM(确保无需修改的原数据不丢失)，然后将所要存放数据的扇区进行擦除，再将修改后的原数据写入，最后再读取出来进行比对，若无误则停止操作。E2PROM 写操作的流程设计如图4 所示。

图4. E2PROM 写操作流程图

4.4 GPRS 通信模块程序

GPRS 通信模块程序起着连接门禁系统与用户之丢失和读写错误。间的通信作用，其应用GPRS 模块M33 的短信接收状态。图5 是M33 处于短消息接收状态时的数据传输流程图。

图5. GPRS 数据传输流程图

M33 通信模块上电后进行初始化，通过“AT+CNMI”指令设置为短消息提示功能，当用户或管理员需要开启门禁系统或设置门禁系统时，向M33 发送短消息，M33 接收到短消息后，通过串口中断告知MCU 有信息需处理，MCU 执行“AT+CMGR”读取短消息内容[4]，并根据内容做出相应的控制。

5 测试结果

一般环境中电梯门禁读写器可在0～10cm 范围内寻到射频卡，并能进行读写;同时连续多次刷卡和多张卡叠放到一起，均能正确的读写，未出现反映不灵敏、不读卡和读错卡等现象。在对MCU 的E2PROM测试中也进行连续多次的读和写，均未发现存储信息丢失和读写错误。

在实验环境中，GPRS 模块M33 可以快速响应用户发送的短消息命令，门禁系统也能及时做出各种控制。整个个测试结果表明，门禁系统运行稳定，E2PROM中存储的数据安全可靠，数据传输快速准确，基本满足指标要求。

6 结论

电梯门禁系统采用Qisda 公司的M33 模块、STC12C5A60S2 单片机和Philips 公司的MF RC500 单片机以及微星科技公司的MCP2515 总线控制器设计出的基于GPRS 的非接触式电梯门禁系统;完成了系统硬件和软件的设计工作，并通过实际环境中的测试。经测试证明，该系统不仅在性能上具有响应速度快、操作灵活、抗干扰能力强和通讯稳定可靠等显著优点，而且在功能上与其它门禁卡相比具有短信开启门禁和按时段刷卡、按卡片有效期刷卡等等多种工作模式还能记录用户进出信息。给用户增添一份方便和安全保障的同时也方便了物业管理，具有很高的的应用价值。