IC卡門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

解放軍理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與指揮自動(dòng)化學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室 陳衛(wèi)衛(wèi)  

　　隨著智能化、數(shù)字化信息社會(huì)的到來，“卡”已逐漸深入到了人們生活的方方面面，比如，
金融領(lǐng)域的牡丹卡、長(zhǎng)城卡、龍卡等等，還有各種電話卡、IC卡電表、用于防盜汽車上的開車門
/啟動(dòng)鑒別的IC卡等等。毫不夸張地說，人類將走向“卡”的世界。
　　人們可以持卡購(gòu)物，持卡消費(fèi)，持卡進(jìn)出某特定場(chǎng)合，如賓館，飯店，實(shí)驗(yàn)室等等�？�既可
以代表著一個(gè)人的身份，代表著一個(gè)人的擁有，也可以代表一個(gè)人的某種“特權(quán)”。人們正在一
步步地適應(yīng)著卡，也漸漸地離不開卡。 
　　卡是實(shí)現(xiàn)智能化管理和自動(dòng)化管理工作的一種重要手段。
　　在需要掌握和控制人員出入情況的場(chǎng)所，比如人員階段性流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室，賓館的客房，有特
殊需求的保密部門等等，如果使用卡開啟門，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的出入證和鑰匙，就能使管理工作實(shí)現(xiàn)自
動(dòng)化、智能化。不但用者方便，管理者也方便，而且工作效率和安全性都可以大大地提高。
　　下面介紹的IC卡門禁系統(tǒng)就是一個(gè)安全、可靠的電子門鎖系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，可以方便地管
理和控制整個(gè)大樓的大門及各房間門的人員進(jìn)出情況，驗(yàn)明出入人員的身份和出入權(quán)限，并進(jìn)行
登錄。為查閱各門的出入情況，進(jìn)行責(zé)任追查提供了極大的方便。

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　IC卡門禁系統(tǒng)是一種利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行身份驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)開/關(guān)門、登錄用戶進(jìn)出門信息的自動(dòng)
化管理系統(tǒng)。 
　　該門禁系統(tǒng)的主要硬設(shè)備由一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為管理計(jì)算機(jī)（又稱主控計(jì)算機(jī)）和若干臺(tái)分控計(jì)
算機(jī)（又稱子控模塊）組成。子控模塊負(fù)責(zé)各受控門的讀卡（即識(shí)別進(jìn)門鑰匙）、開門、關(guān)門和
登錄工作。主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)各門禁子系統(tǒng)的初始化和工作方式的設(shè)定（如延遲時(shí)間等），以及重
新設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)和獲取各門禁子系統(tǒng)的登錄信息等的管理工作。
　　一個(gè)受控門和其對(duì)應(yīng)的一個(gè)讀卡器，構(gòu)成一個(gè)門禁子系統(tǒng)，用于管理一個(gè)門。每個(gè)門禁子系
統(tǒng)在子控模塊的控制下獨(dú)立工作（即開門、關(guān)門、登錄信息等）。一個(gè)子控模塊可以控制一個(gè)門
禁子系統(tǒng)，也可以控制兩個(gè)，甚至三個(gè)門禁子系統(tǒng)。
　　整個(gè)門禁系統(tǒng)可以配置多個(gè)子控模塊，比如，如果配置128個(gè)子控模塊，每個(gè)子控模塊控制3
個(gè)門，那么最多可以控制128*3個(gè)門。
　　子控模塊是該系統(tǒng)的專用設(shè)備，它全天24小時(shí)工作，充當(dāng)電子門衛(wèi)的作用。因此，它的性能
直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在制作或選用硬件時(shí)，要特別注意。目前，市場(chǎng)銷售的，由臺(tái)灣威
達(dá)集團(tuán)生產(chǎn)的牛頓7000系列產(chǎn)品I-7188，可以作為IC卡門禁系統(tǒng)的子控模塊，而且性能比較穩(wěn)定，
價(jià)格也比較適中
　　主控計(jì)算機(jī)不必對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行全天控制，僅在系統(tǒng)初始化、重新設(shè)置系統(tǒng)，修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)，
以及需要獲取各門禁子系統(tǒng)所登錄的進(jìn)出門信息等操作時(shí)，才通過通信控制軟件與各子控模塊進(jìn)
行通信聯(lián)絡(luò)。因此主控計(jì)算機(jī)不作為該門禁系統(tǒng)獨(dú)占的專用設(shè)備，可以兼作它用。在任一臺(tái)普通
的個(gè)人計(jì)算機(jī)（486以上）中安裝本系統(tǒng)的控制軟件，都可以充當(dāng)主控計(jì)算機(jī)使用。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

　　為了使整個(gè)系統(tǒng)更具有安全性和靈活性，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，IC卡門禁系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成一個(gè)
層次式的分級(jí)管理系統(tǒng)。 
　　低層管理由子控模塊完成，主要負(fù)責(zé)管理受控門和進(jìn)出門的登錄工作。 
　　高層管理由主控計(jì)算機(jī)完成，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、協(xié)調(diào)管理工作。 
　　這種分層管理模式，可以減小主控計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，減少專用設(shè)備數(shù)量，降低系統(tǒng)制作成本，
同時(shí)也提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。而且，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，方便地、靈活地配置系統(tǒng)硬
件。
　　采用這種設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖一所示。

三、系統(tǒng)功能 

　　IC卡門禁系統(tǒng)是一個(gè)管理多個(gè)受控門的電子門鎖系統(tǒng)，每個(gè)欲進(jìn)入受控門的人員（即用戶），
必須向管理者（或其授權(quán)者）提出申請(qǐng)，并領(lǐng)取一張IC卡（即電子鑰匙）。持卡者將IC卡插入受
控門的讀卡器內(nèi)，經(jīng)門禁子系統(tǒng)驗(yàn)明IC卡正確無誤后，受控門方能開啟。
　　設(shè)計(jì)一個(gè)完善的IC卡門禁系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個(gè)方面。
1、IC卡的管理功能 
　　IC卡管理功能主要完成對(duì)用戶IC卡的管理工作，包括對(duì)每張IC卡數(shù)據(jù)信息的生成，登錄，驗(yàn)
證和修改等等。每個(gè)用戶可以擁有用戶號(hào)、密碼和開門權(quán)限（如可以進(jìn)哪個(gè)門，哪幾個(gè)門）和允
許進(jìn)門的時(shí)間段等。這些數(shù)據(jù)有的可以直接記錄在用戶所持有的IC卡上，有的可以記錄在系統(tǒng)表
格中。 為了便于用戶操作，還應(yīng)當(dāng)配有信號(hào)指示燈，當(dāng)用戶插卡要求開門時(shí)，根據(jù)指示燈的顏
色、亮滅、閃爍等不同情況，直觀地顯示IC卡的工作狀態(tài)，供用戶自我判斷操作正誤。
2、配置管理功能
　　配置管理功能完成主控計(jì)算機(jī)對(duì)各子控模塊工作方式的設(shè)置、控制和查詢其工作狀態(tài)，以及
收集接口設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)，并向其它設(shè)備提供配置等工作。
3、安全管理功能 
　　安全管理功能主要通過驗(yàn)證用戶號(hào)和密碼的一致性、每張IC卡的有效期、記錄非法操作等，
對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供安全保障，保證系統(tǒng)正常工作。 
4、監(jiān)控管理功能
　　監(jiān)控管理功能使管理者可在主控計(jì)算機(jī)上監(jiān)測(cè)各受控門的性能和工作狀態(tài)，查詢各受控門人
員的出入信息（包括持卡者、入門號(hào)、入門時(shí)間等）。 

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

1、安全性 
　　設(shè)計(jì)一個(gè)門禁系統(tǒng)，首先要考慮的是系統(tǒng)安全性，即能否有效地控制人員的出入，并掌握其
出入信息。
　　因?yàn)镮C卡門禁系統(tǒng)是一種智能化的電子控制系統(tǒng)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的“智能”，同時(shí)采
用多種手段進(jìn)行控制，以確保系統(tǒng)的安全可靠。其中最簡(jiǎn)單而又有效的是以下幾種手段。 
　　一是通過IC加密卡中設(shè)置的密碼，進(jìn)行身份驗(yàn)證，若密碼核對(duì)幾次（一般為三次）之后仍不
正確，該卡將被自動(dòng)燒毀不能繼續(xù)使用。這樣就可以有效地防止盜用用戶信息的惡意驗(yàn)證。 
　　二是利用系統(tǒng)中的用戶權(quán)限表可再次認(rèn)證持卡人是否能進(jìn)該門。 
　　三是每張IC卡上都設(shè)置有效使用期限，若IC卡超過了有效期，則該用戶的所有資料將從門禁
子系統(tǒng)控制模塊中自動(dòng)刪除，本卡作廢。 
2、可靠性 
　　可以從軟件和硬件兩個(gè)方面來考慮。 
　　硬件的可靠性，除了電控鎖等機(jī)械部件之外，主要考慮子控模塊的制作和選用，因?yàn)樗�要�?br />天24小時(shí)不停地工作，所以對(duì)其性能要求較高，應(yīng)能滿足環(huán)境的溫度、濕度的變化，以及抗電磁
干擾能力強(qiáng)等。如果選用牛頓7000系列模塊作為子控模塊，因?yàn)檫@種模塊有很強(qiáng)的自適應(yīng)功能，
能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)不同波特率的信號(hào)，還有各種保護(hù)電路等等，足可以保證低層管理工作的需要。
　　軟件設(shè)計(jì)的可靠性，主要考慮各種狀態(tài)信息的獲取和維護(hù)，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是否規(guī)范，各種
特殊情況的處理是否合理等等。比如，為了確保主控計(jì)算機(jī)與子控模塊之間的通信準(zhǔn)確無誤，可
以采用自動(dòng)重發(fā)糾錯(cuò)機(jī)制，有效地消除門禁子系統(tǒng)和管理計(jì)算機(jī)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中工作時(shí)可能出現(xiàn)的
信號(hào)沖突。
3、靈活性 
　　由于系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)信息的設(shè)置和管理都是通過主控計(jì)算機(jī)與子控模塊之間的通信完成的。
管理者便可以根據(jù)自己的需要，自由地設(shè)置密碼、用戶權(quán)限、門鎖延遲時(shí)間等。同時(shí)主控計(jì)算機(jī)
和子控模塊平時(shí)各自獨(dú)立工作，僅在設(shè)置子控模塊中的初始數(shù)據(jù)，修改子控模塊中的數(shù)據(jù)，獲取
子控模塊中所記錄的信息等情況下，二者才需要相互通信，進(jìn)行信息交流。這種設(shè)計(jì)方法給系統(tǒng)
帶來很大的靈活性。
4、并行性 
　　為了降低硬件成本，可以將一個(gè)子控模塊設(shè)計(jì)成同時(shí)控制多個(gè)門，比如，使用I-7188作為子
控模塊時(shí)，一個(gè)子控模塊可以同時(shí)控制三個(gè)門，實(shí)際上，這樣配置相當(dāng)于一種宏觀上的并行處理
機(jī)制。
5、多功能 
　　用戶權(quán)限表可由管理者任意設(shè)置，使用起來非常靈活，很容易滿足“一門一卡”、“一門多
卡”、“多門一卡”等不同的要求。
6、可擴(kuò)充性 
　　用戶的需求是不斷變化的，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)留有一定的余地，保證用戶的動(dòng)態(tài)需求。比如，
系統(tǒng)中的每個(gè)子控模塊都有唯一的地址，需要增加受控門數(shù)時(shí)，只要增加相應(yīng)數(shù)量的子控模塊和
門禁子系統(tǒng)，并給子控模塊分配唯一的地址即可。如果采用牛頓7000系列工控模塊作為子控模塊，
一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)上可掛256個(gè)模塊。 

五、硬件簡(jiǎn)介

　　IC卡門禁系統(tǒng)的大多數(shù)硬件都可以自己動(dòng)手制作，也可以選用市售產(chǎn)品。下面向大家介紹幾
種可用于制作IC卡門禁系統(tǒng)的硬件產(chǎn)品。 
　　臺(tái)灣威達(dá)工控集團(tuán)生產(chǎn)的牛頓7000系列產(chǎn)品由能完成分散數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)控制的眾多模塊
（module）組成，所有模塊的規(guī)格均為102　2　5mm，它們能提供A/D、D/A、DI/O、Timer/Counter
等許多功能，通過一套命令集，可以遠(yuǎn)程控制這些模塊的工作。在IC卡門禁系統(tǒng)中，可以使用其中
的I-7188、I-7060、I-7520三種模塊。 
1．7188 
　　7188是一種工業(yè)應(yīng)用的嵌入式控制器（embeded controller）。 
　　它內(nèi)嵌了AMD的80188CPU，主頻40MHZ。內(nèi)部置了ROM-DOS操作系統(tǒng)和ROM-DISK（192K），所以
用戶程序最長(zhǎng)可達(dá)192K。并且提供了256K SRAM和256K FlashROM（可擴(kuò)充至512K），還有1K的
EEPROM，實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器（RTC）；還提供一個(gè)RS485端口，三個(gè)RS232端口（其中一個(gè)可選RS485
口）；這使得它可以與各種帶RS232/485的智能儀器通訊，作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器使用。除此之外，還有
電源保護(hù)電路，RS485網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路等等。特別是，它支持應(yīng)用程序從PC被下載(download)至7188
模塊內(nèi)，允許用戶創(chuàng)建RAM-DISK，使用起來非常方便。 
　　其中7188D型的模塊還帶有五位七段數(shù)碼LED顯示。電源需求+10V~+30VDC，功耗2W或2.2W。
2．7060 
　　7060是一個(gè)繼電器(relay)輸出/隔離數(shù)字(isolated digital)輸入模塊。
　　它有四路單端數(shù)字輸入，四路繼電器輸出，能同時(shí)控制四路繼電器設(shè)備工作。高電平
3.5V～30V；低電平0～1V，輸入隔離電壓3750Vrms，輸入阻抗3K歐，功耗0.8W，電源10～30VDC，
利用該模塊可以很方便地控制電控鎖的開/合狀態(tài)。
3．7520 
　　7520是RS232到RS485的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。 
　　其一端為RS232標(biāo)準(zhǔn)，另一端為RS485標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置“self tuner”芯片，自動(dòng)在300～115200 
BPS之間轉(zhuǎn)換。電源+10V～+30VDC，功耗2.2W，利用該模塊可以完成通信接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換。 
4．RS485網(wǎng)絡(luò) 
　　RS485是功能強(qiáng)大，而且使用靈活的二線（two-wire）網(wǎng)絡(luò)。 它支持多種波特率多種格式
的數(shù)據(jù)傳輸。所有的模塊通過485端口和各自唯一的地址號(hào)共享網(wǎng)絡(luò)上的信息。在不需中繼
（repeater）的情況下，一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)上可掛256個(gè)模塊，通信距離為1.2公里。 
5．IC卡讀寫機(jī)
　　SURE系列全功能智能卡通用讀寫機(jī)具有DES加密算法功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，該讀寫機(jī)能夠
對(duì)各種IC卡進(jìn)行讀、寫、修改操作，同時(shí)該讀寫機(jī)還提供多種PC機(jī)語言接口函數(shù)，便于用戶
二次開發(fā)應(yīng)用程序

六、軟件簡(jiǎn)介

　　IC卡門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，按功能可分成三大部分，置于子控模塊內(nèi)的門禁子系統(tǒng)控制
和登錄進(jìn)出門信息的程序，以及置于主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的IC卡發(fā)放管理程序（設(shè)置IC卡）和系統(tǒng)
管理、監(jiān)控程序。按性能要求，可以分別采用C、VB、ACCESS等語言編程實(shí)現(xiàn)。 
　　要注意的是，在設(shè)計(jì)子控模塊的管理程序時(shí)，由于通用讀寫機(jī)提供的IC卡接口程序只能用
在PC機(jī)上，而工控模塊7188內(nèi)部結(jié)構(gòu)與PC機(jī)不同，所以不能直接使用通用讀寫機(jī)提供的現(xiàn)成的
接口程序，用戶必須重新設(shè)計(jì)IC卡操作的接口程序。
　　在設(shè)計(jì)通信程序時(shí)，子控模塊與主控計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議可以采用最簡(jiǎn)單的停止等待協(xié)
議，通過設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)信息等手段，保證通信的可靠無誤。 
　　系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用戶權(quán)限表，它包含有用戶號(hào)、IC卡有效期、IC卡密碼等字段。
該表應(yīng)該存放在子控模塊中（比如I-7188的FlashROM內(nèi)），但由主控計(jì)算機(jī)利用通信軟件進(jìn)行
管理。
　　幾個(gè)主要程序的流程如下。
　　1、插卡事件的處理流程   

　　注：設(shè)置有/無卡標(biāo)識(shí)的目的是防止某用戶
忘記拔卡，而反復(fù)讀卡造成記錄數(shù)據(jù)區(qū)上溢，沖掉早先的記錄。
　　2、7188內(nèi)的主控模塊處理流程 
　　系統(tǒng)為每個(gè)受控門設(shè)置并維護(hù)一個(gè)狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)，輪回查看其工作狀態(tài)，保證其宏觀上運(yùn)
行的并行性。 
　　經(jīng)設(shè)計(jì)和測(cè)試，該IC卡門禁系統(tǒng)完全達(dá)到實(shí)用要求。實(shí)際上，這個(gè)系統(tǒng)不僅可用于門禁管
理，略加改造，還可用于考勤等其它場(chǎng)合。
　　
參考文獻(xiàn) 
　　1．IC卡的技術(shù)與應(yīng)用 王卓人、鄧晉鈞、劉宗祥編著. 電子工業(yè)出版社. 1999 
　　2. ICP CON 7188 SERIES USER扴 MANUAL 
　　3. ICP CON 7000 DIO USER扴 MANUAL(version 2.0)
　　4. I-7000 BUS CONVERTER USER MANUAL(version 1.0) 
　　5. IC卡技術(shù)入門 王愛英著. 清華大學(xué)出版社. 1998 
　　6. SURE系列全功能智能卡讀寫機(jī)用戶手冊(cè)