基于可見光通信的門禁系統

王 金 鵬， 薛 歆 澎， 于 穎， 鄒 念 育

( 大連工業大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

門禁系統定義為一種對出入口具有管理控制功能的系統[1]。目前應用較為廣泛的門禁系統主要有密碼門禁系統、刷卡門禁系統和生物識別門禁系統。密碼門禁系統需要手動輸入密碼信息且密碼易遺忘和泄露，因此效率低且安全性差。刷卡門禁系統分為接觸式和非接觸式，接觸式卡易磨損，使用次數有限。非接觸式門禁系統的無線射頻開鎖信息易被截獲復制，造成信息泄露及財產損失。生物識別門禁系統以指紋、虹膜等人體生物特征的不同作為密匙，雖然安全性高但是比對速度慢。

隨著近年來通信行業以及LED材料器件的蓬勃發展，可見光通信技術走入人們的生活?？梢姽馔ㄐ偶夹g將光波作為信息的載體并將自由空間作為傳輸的信道進行信息的傳送[2-3]。LED器件的頻率響應特性良好，為可見光通信在LED器件上的應用奠定了基礎?？梢姽馔ㄐ啪褪亲孡ED發出人眼感知不到的高速閃爍，以此來傳輸信息，并用光電感應器件接收光信息[4]?？梢姽馔ㄐ啪哂胁徽加妙l譜資源的特點[5-6]；可見光通信屬于一種點對點的通信方式，由于具有不受電磁干擾的特點，因此具有保密特性[7]。鑒于目前的門禁系統存在比對效率低和安全性差的問題，而可見光通信技術的優點能夠有效克服這些問題。

本研究設計了一種基于可見光通信技術的門禁系統。將STC89C52RC單片機作為數據的發送接收處理單元并將可見光作為傳輸信息的載體，采用IM/DD(強度調制/直接檢測)調制方式，將編碼信息加載到可見光上實現身份信息的傳輸。給出了系統各部分的電路設計并進行了實際硬件制作，為了測試系統性能對搭建好的硬件進行了波形測試，結果表明，此可見光通信門禁系統可以實現密碼信息的準確傳輸與接收進而完成開鎖操作。

1 系統原理及整體設計

1.1 系統原理

可見光通信的原理圖如圖1所示。

圖1 可見光通信系統的原理圖

可見光通信系統主要由LED光源發射端、光電檢測的接收端及中間信道傳輸部分構成[8-9]。原始的待傳輸信號，經過編碼調制之后，加載到光信號上傳輸，以數字信號“0”“1”的形式發送出去[10]。接收端接收到所傳遞來的光信號后，進行光電轉換，后再經過信號放大均衡等處理進而得到原始信號[11]。

1.2 系統整體設計

門禁系統的組成如圖2所示。

此可見光通信門禁系統主要由光鑰匙端即信息的發送端、門禁端即信息的接收驗證端兩部分組成。光鑰匙端由負責存儲使用者的身份信息和驗證是否能通過門禁的密碼信息的單片機一與將信息加載到LED上進行傳送的LED驅動電路組成。門禁端負責可見光的接收工作，接收到通過可見光傳輸過來的身份信息以及密碼信息，記錄時間及頻率等信息并進行身份驗證，由接收可見光信息的接收電路與單片機二組成。

2 系統軟件設計

軟件流程圖見圖3，發送端單片機先完成初始化工作，同時將密碼信息進行編碼，LED等待數據發送，當接收到數據發送指令時LED將信息發送出去。接收端采用光敏二極管進行接收，光敏二極管可以感應不同亮度變化的光線，從而使光敏二極管兩端電壓不同，將電壓通過LM324運算放大器進行電壓跟隨及比較，接著將電壓變成標準的高低電平輸出到接收端的單片機進行解調解碼還原出原始數據，最后將還原出的數據與門禁端單片機內存儲的身份信息進行對比，根據對比結果進行通過門禁或報警操作。

3 系統硬件設計

3.1 單片機最小系統

本設計采用STC89C52單片機作為控制部分的核心處理器，其管腳圖如圖4所示。

圖3 軟件流程圖

圖4 STC89C52單片機管腳圖

STC89C52使用經典MCS-51內核，8 kB Flash，512 B RAM，3個16 b定時器、串口屬于全雙工串行口、看門狗定時器、兩個外部中斷口和32 b IO口[12]。為了滿足系統的功能，主要使用了STC89C52單片機的兩個內部定時器T0、T1，外部中斷、串口中斷以及串口通信功能。其中兩個內部定時器的主要作用是用來產生精確的定時時間并根據此精準的定時時間對接收端收到的可見光采用的脈沖寬度調制頻率以及占空比進行計算。時鐘電路中采用經典的外部11.0592M石英晶體振蕩器，一般在晶體兩端接上起振電容，可以增強外部振蕩電路的抗干擾能力，使振蕩電容起振更加容易。時鐘電路如圖5所示。

圖5 STC89C52單片機時鐘電路圖

單片機最小系統中還需要一個復位電路。復位電路如圖6所示。

圖6 STC89C52單片機復位電路圖

單片機采用高電平復位方式，當至少兩個機器周期的高電平信號加到復位管腳時即可觸發單片機復位功能。為了維持系統的可靠運行及調試的方便采用上電自動復位，必要時可手動復位。

3.2 發送與接收模塊

密匙信息發送端即LED驅動電路，其中LED驅動電路采用高頻率場效應管驅動，I/O口連接到柵極，通過I/O口對柵極的控制，進而控制LED的占空比將信息發送出去。密匙信息發送端如圖7所示。

門禁系統的接收端如圖8所示。

接收端通過光敏二極管接收到發送端LED傳送來的光信號并將占空比不同的光信號轉換成電信號，隨后把信號送入LM324運算放大器進行信號放大以及電壓跟隨、比較，將轉換成的標準高低電平送入單片機P3.2口。STC89C52的P3.2口為中斷觸發端口，通過輸入的信號觸發定時，進而可以算出光信號的載波頻率以及脈沖寬度，從編碼信息解調出相關數據。

圖7 密匙信息發送端

圖8 門禁信息接收端

4 系統搭建與分析

根據以上對發送端和接收端電路的設計進行了硬件制作，實物圖如圖9所示。

可見光通信主要分為視距鏈路和非視距鏈路[13-14]。對于系統而言，發送端與接收端的通信距離較短，因此幾乎不受多徑效應的影響，采用的為視距鏈路模式。視距鏈路還可以分為定向視距鏈路和非定向視距鏈路，兩者的區別在于定向視距鏈路對發送端和接收端的角度要求較高，幾乎對準平行才可以準確接收信息。經過實際硬件的制作和調試，本設計采用定向視距鏈路，此時傳輸信息效果比較良好。為了驗證實際制作的硬件系統能夠準確實現數據信息的傳輸接收需要對搭建制作好的系統需要進行分析和測試。

圖9 硬件實物圖

利用示波器對系統的發送端與接收端分別進行波形測試，測試環境如圖10所示。

圖10 測試環境

發送端與接收端的波形對比如圖11、圖12所示。

圖11 發送端波形

圖12 接收端波形

從圖11和圖12中可以看出，設計的可見光通信門禁系統成功實現了密碼信息的傳輸與接收，且沒有出現誤判情況，系統可以正常工作。

為了測試此可見光通信門禁系統的比對效率，對實際硬件進行了多次實驗，實驗結果為接收端指示燈的開啟(門鎖的開啟)與發送端LED燈的開啟幾乎同時完成，充分表明此可見光通信門禁系統的比對效率較高。

5 結 論

鑒于目前的門禁系統存在低比對效率和安全性不高的問題以及可見光通信技術高速率傳輸且安全性高的特點，設計了一種基于可見光通信的門禁系統，并對搭建好系統進行了分析和測試。結果表明，搭建的硬件系統可以準確地實現密碼信息的傳輸，且經過多次測試驗證了該系統具有較高的比對效率。在近年來可見光通信技術蓬勃發展的背景下，設計的方法具有一定的理論意義和實際應用價值，可見光通信技術將會在門禁領域具有非常有價值的應用前景。