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設計方案。本系統實現了利用紅外感知與無線設備開啟門禁系統的功能。該門禁系統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；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展，傳統的芯片IC卡門禁系統已經滿足不了廣大群眾的需求，市面也涌現了一些新的門禁系統，如指紋門禁系統、人臉識別門禁系統和汽車上的免持式被動門禁系統[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設計，既能很好地擺脫傳統機械鎖的束縛，又能增大門禁系統使用的便利性，實現不用刷卡或是其他接觸的裝置，只要用戶出現在一定區域內就能使得門禁開啟的功能。與市面上其他門禁系統（如指紋門禁系統、人臉識別系統等）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展空間。
1 系統的硬件設計
1.1 非接觸式門禁系統的工作原理與流程
非接觸式門禁系統主要包括應答和感知控制兩個主要模塊，系統框圖如圖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在感知控制模塊的紅外線識別器的有效范圍內，門禁系統啟動無線通信裝置NRF905，并由它發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品中。
本模塊采用鋰電池供電，其優勢在于可以充電，用戶沒必要買新的電池，節能環保。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穩壓芯片，穩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的穩壓芯片，將 5 V轉成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，且其內置硬件CRC（循環冗余校驗碼）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，收發模式切換時間小于50 μs，在發射功率為+10 dBm時電流為30 mA，接收數據時為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為接收數據的指示燈，LED2為發送數據的指示燈。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 為發送數據活動模式， ShockBurst RX 為接收數據活動模式。
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，另外一個則為發送裝置。此外，穩壓電路部分和發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出的紅外射線波長也是不同的，本系統利用這一點，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，產生電勢差。HC-SR501為雙元件設計，在它內部有兩個電極化方向恰恰相反的熱釋電元件串聯在一起，環境輻射作用于兩個熱釋電元件的影響基本相同，即它們產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，SPI仍然可以保持工作狀態，SPI接口由狀態寄存器、射頻配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接收數據寄存器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，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接口的讀函數中，簡要分為以下幾個步驟：⑴MISO要準備好數據等待無線通信模塊發送；⑵置高SCK，主機讀走線上的數據；⑶置低SCK，準備下一位數據的接收。上述步驟要循環8次才能夠通過SPI接口讀取數據。
而在SPI接口的寫函數中，簡要分為以下幾個步驟：⑴MOSI準備好需要發送的數據；⑵置高SCK，器件從MOSI線上讀取數據；⑶置低SCK，準備發送下一位數據。上述步驟循環8次即可完成SPI數據的發送。
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完成接收數據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接口發出指令，準備接收數據；⑶連續8次循環利用SPI讀函數，處理器讀取無線模塊收到的數據；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送數據主要分為以下幾個步驟：⑴通過SPI接口向模塊寫入待發送的數據；⑵循環利用SPI接口寫入待發送的數據包；⑶延時；⑷通過SPI接口將地址信息寫入；⑸采用循環程序逐位寫入地址信息；⑹發送數據，發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.