電子門鎖是現代星級酒店管理電子化、智能化的重要電子設備。相較于傳統的機械鎖，基于RFID技術的電子門鎖使用方便，易于管理，安全性高，可實現對開鎖用戶的分優先級自動管理，對房間入住信息實現自動統計與報表輸出。
1 系統整體分析
MF1 S50和S70卡是遵守ISO14443A國際標準的非接觸式邏輯加密卡，S50卡內共有1024字節非易失性存儲空間，分為16個扇區，每個扇區包含4個數據塊，每個扇區都有一組獨立的密碼A和B，扇區內的每個數據塊都可單獨設置存取條件。S70存儲結構與S50類似，存儲空間為4096字節，分為40個扇區。
旅客入住酒店時，酒店前臺將旅客的入住時間、退房時間、房間號等信息寫入已授權卡片指定扇區的數據塊。客人在選定的房間門鎖前刷卡，門鎖射頻讀卡模塊使用定時紅外線掃描，當探測到卡片后啟動讀卡程序，讀出卡片的全球唯一序列號和卡內的旅客入住信息，并比對房間號和入住與退房時間，決定是否開門，并將事件記錄在門鎖的E2PROM中。
卡內使用一個字節作為卡類型標識，除了客人卡、還可識別管理卡、清潔卡、樓層卡、報警卡、時鐘卡等不同功能的卡片，并設置不同的權限。卡內的門鎖操作記錄可以使用MF1 S70卡片采集，以便定期導出進行匯總統計。
2 系統硬件設計
如圖1所示，整個系統以ATMEGA88V為核心，外圍電路包括RC522讀卡操作模塊、門鎖電機驅動控制模塊、紅外探測模塊、E2PROM存儲模塊以及電源、時鐘、聲光指示等功能模塊。ATMEGA88V進行紅外線探測，當探測到紅外線有遮擋時啟動RC522進行讀卡操作，根據卡內信息決定是否進行開門操作，并通過實時時鐘獲得時間信息，最后將事件記入E2PROM中；如果是設置卡，則對系統進行參數設置。蜂鳴器和LED燈可以在卡片和門鎖操作的過程中指示不同的狀態，ISP接口實現應用程序的下載和更新。

2.1 主控芯片電路
由于門鎖工作時對能耗指標的要求非常苛刻，所以選取主控芯片的原則是運行速度快，耗電少，內部資源夠用即可，盡量減少閑置不用的資源。因此綜合考慮選用美國ATMEL公司的高性能、低功耗的 AVR 8位微處理器ATMEGA88V作為本系統的核心。
該微控制器特點如下：
◆ 先進的 RISC 結構（工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS）。
◆ 23個可編程的I/O口，8路10位ADC通道。
◆ 1K字節內部數據RAM，8K字節FLASH存儲器，可以在系統編程。
◆ 3個通用計數器、定時器陣列， SPI串口。
◆ 多種節電休眠和停機方式，掉電模式下最低僅需0.5μA。
2.2 RC522讀卡接口電路
讀卡電路讀取卡片信息供單片機用于控制門鎖或進行參數設置，并在導出記錄時將記錄信息寫入S70卡。射頻接口芯片選用了體積小、低電壓、低功耗的RC522芯片，以滿足門鎖控制模塊對體積和能耗的要求。RC522支持ISO14443 TYPEA及MIFARE CRYPTO1加密協議，最大讀寫距離6cm，具備硬件掉電、軟件掉電和發送器掉電等多種節電工作模式[2]。RC522讀卡接口電路如圖2所示。

RC522與單片機之間的通訊可以使用UART、I2C、SPI接口，此處我們選用SPI接口。硬件上電路板分為兩個部分，天線和紅外探測以及LED顯示組成PCB前板，其它元件作為硬件底板，TX1和TX2連接PCB前板上的天線。Q1控制RC522的電源，在單片機休眠時RC522完全斷電，以節省能量延長更換模塊電池的間隔時間。

2.3 門鎖電機控制電路與紅外探測電路
門鎖電機控制電路選用一片BA6287作為驅動。BA6287的供電電壓范圍4.5-15V，最大輸出驅動電流可達1A。M+和M-分別接門鎖直流電機的正負極，FIN和RIN接單片機的I/O口。BA6287可以實現電機的正轉、反轉、剎車以及芯片本身的掉電休眠模式，非常適合于門鎖電機的驅動控制。

紅外探測電路用于探測天線區域內是否有卡片存在。探測時，單片機將IR_E_D置高電平，Q21導通，二極管IR_E向模塊正前方區域發射紅外線，同時置位IR_R_D電壓，并通過ADC通道讀取IR_R的電壓值。當射頻場內有卡片時，發射的紅外線通過卡片反射回來被Q22接收，Q22導通， IR_R的電壓高于基準值，單片機據此啟動RC522讀卡電路。反之當沒有卡片時，紅外線沒有反射，Q22不導通，此時IR_R電壓為基準值。
3 軟件設計
射頻卡門鎖電路的軟件主要由射頻卡探測與讀寫程序、門鎖驅動與狀態指示程序以及門開關記錄保存與導出程序三部分組成。射頻卡探測與讀寫程序實現了卡片探測與卡片操作，門鎖驅動與狀態指示根據讀取的卡片信息對電機進行驅動，并顯示門的當前狀態信息，這兩部分是軟件程序的重點。開關記錄保存與導出程序將開關記錄記入模塊的E2PROM并可導出到S70卡片，供PC主機采集與分析使用。門鎖電路軟件總框圖如圖4所示。

3.1 RC522卡操作程序
紅外探測到射頻場內有卡片后，單片機啟動RC522進行讀卡操作。由于模塊每間隔250ms探測一次卡片，在間歇期內RC522處于掉電休眠狀態，因此讀卡的第一步是先給RC522上電復位，然后進行端口和RC522寄存器配置，之后開啟天線進行卡呼叫、卡防沖突、卡選擇和卡認證。只有獲得授權的卡片才能通過卡認證一步，之后單片機根據卡類型進行判斷，如果是MIFARE S50卡，則讀取兩個BLOCK的卡內配置信息，并根據這些信息調用門鎖驅動程序執行開、關門操作或進行系統參數設置；如果是S70卡，則調用開關門記錄導出程序，將模塊內存儲的開關門記錄寫入S70卡片。
如果紅外探測到場內有卡片，但卡呼叫未成功，則可能是有其他物體遮擋紅外線或可見光干擾，此時單片機將啟動ADC基準值的動態平滑機制，將本次采樣值加入樣本，同時剔除最老的樣本并計算樣本平均值作為下次ADC采樣比較的基準。經過較短時間的采樣平滑后，基準值實現跟隨外部干擾變化動態調整，從而消除干擾的影響。
3.2 門鎖驅動與狀態指示程序
門鎖驅動程序根據讀取的MF1 S50卡片配置信息進行各種操作。卡片內的配置信息使用卡片的兩個BLOCK共32字節,第一個BLOCK的16個字節格式固定，第二個BLOCK的內容根據不同的卡類型所存儲的信息有差別。其結構如下：

00 01 02 06 07 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 16 17 1C 1D 1E 1F

卡型：一個字節的卡類型標識不同功能類型的卡片。常見的卡片類型可以分為兩大類，開門卡和設置卡。開門卡可以實現開關門，如客人卡、樓層卡、清潔卡、樓號卡、應急卡、常開卡等；設置卡用來設置模塊參數，不能開門，如退房卡、管理卡、房號設置卡、時鐘設置卡、勿擾卡、報警卡等。
FLAG：標志字節，可以設置8個標志，比如是否允許開反鎖，是否比較開門時間，是否比較房號等。
BEGIN和END:開始時間和結束時間，格式為年、月、日、時、分，只有在這個時間區間內，才能開門。當卡片為時鐘設置卡時，使用BEGIN來設置系統時鐘。
樓號、樓層和房號：用來比較房間是否正確。房號有兩個字節，第一個字節為主房間號，第二個字節為子房間號。有些高級套房內部有子房間，并具有獨立的門鎖控制。沒有子房間的客房在比較時忽略子房間號。
第二個BLOCK的內容根據不同的卡類型，其意義有所不同，比如清潔卡可用來設置清潔區域號和清潔時間段，設置卡用來存放模塊的授權碼等。
門鎖驅動程序根據上述卡片信息對門鎖電機驅動或將設置卡的設置參數寫入模塊內的E2PROM。
門鎖狀態指示程序用來顯示門鎖的當前狀態。門鎖狀態使用一個蜂鳴器和一個雙色LED來表示。正常開門蜂鳴器和綠燈同時動作0.5秒；發生錯誤時蜂鳴器和紅燈同時動作0.2秒；設置卡設置成功后蜂鳴器和綠燈同時動作0.2秒；賓客在房間內將門反鎖，綠燈每隔5秒閃爍一次；正常開門卡開門后5秒門未正常關閉，則蜂鳴器和紅燈每隔1秒動作一次；電池電壓低則蜂鳴器發出旋律可變的報警聲。

3.3 開關門記錄存儲與采集程序
系統擴展了一片AT24C64 E2PROM芯片用來存儲系統參數和開關門記錄。AT24C64的容量為8K字節，其中前256字節(地址00H～FFH)用來存儲系統參數，包括卡片密碼、樓號、樓層號、房間號等。AT24C64剩余的存儲空間（100H-1FFFH）用來存儲開門記錄，每條記錄的長度為16個字節，其結構如下：

00 01 04 05 0 A 0B 0C 0F

卡型占用一個字節，記錄所刷卡片的類型；卡序列號記錄卡片的全球唯一4字節序列號；操作時間記錄刷卡的年、月、日、時、分、秒，占用6個字節；操作類型記錄開關門的類型，包括正常開門、常開卡開門、常開卡關門、機械鑰匙開門等。一片AT24C64共可以存儲496條記錄。
門鎖中的記錄使用MF1 S70卡導出。S70卡的容量為4K字節，除去制造商塊和每個區的區尾塊，每張S70卡可以記錄215條記錄，導出全部模塊中的記錄共需要3張S70卡。當用授權的S70卡刷卡時，門鎖控制模塊自動將E2PROM中記錄讀出，然后依次寫入S70卡的BLOCK中，每一條記錄對應一個BLOCK。寫完第一張卡片后，模塊自動等待第二張卡片進入射頻場，直到寫完第三張卡片。如果等待超過10秒鐘未檢測到卡片，程序將超時退出。


審核編輯：湯梓紅