摘 要： 提出了一种基于红外感知与无线应答的非接触式门禁系统设计方案。本系统实现了利用红外感知与无线设备开启门禁系统的功能。该门禁系统主要是由感知控制和应答模块组成。本文给出了应答和感知控制模块的设计电路及工作流程图，详细分析了红外识别电路的原理，并介绍了NRF905无线通信模块的设计原理。本系统设计方案合理，安全可靠。实际结果显示，此设计方案能满足实际生活中的需要并有很大的市场应用空间。
关键词： 89C52单片机；红外线感知；非接触式门禁系统；无线应答
0 引言
随着人们生活水平的提高和科学技术的日益发展，传统的芯片IC卡门禁系统已经满足不了广大群众的需求，市面也涌现了一些新的门禁系统，如指纹门禁系统、人脸识别门禁系统和汽车上的免持式被动门禁系统[1]。由此带来的便利性和成本问题也越来越受人们的关注。
本设计方案——基于红外感知与无线应答的非接触式门禁系统设计，既能很好地摆脱传统机械锁的束缚，又能增大门禁系统使用的便利性，实现不用刷卡或是其他接触的装置，只要用户出现在一定区域内就能使得门禁开启的功能。与市面上其他门禁系统（如指纹门禁系统、人脸识别系统等）相比，它具有价格低廉、安装简单、使用方便且安全性能有保障的特点，具有很好的市场潜力和发展空间。
1 系统的硬件设计
1.1 非接触式门禁系统的工作原理与流程
非接触式门禁系统主要包括应答和感知控制两个主要模块，系统框图如图1所示。感知控制和应答模块中都只有一个无线通信NRF905装置，图中为便于理解，每个模块给出两个装置。首先，携带有效应答模块的人出现在感知控制模块的红外线识别器的有效范围内，门禁系统启动无线通信装置NRF905，并由它发出具有识别信息的信号，应答模块中的NRF905接收到信号，判断是否为有效信号，如果是，就发射具有识别信息的信号给感知控制模块，再进行辨识，如确定为有效信号则开启门。
1.2 应答模块设计
应答模块由微控制器、无线通信电路以及两处稳压电路组成，电路图如图2所示。由于应答模块是携带于人身上的，故要求功耗小，较易于携带，这里选用STC89C52单片机，它是带8 KB闪存、可编程、可擦除、只读存储器的低电压、高性能的单片机，且其价格低廉，广泛用于各种自动化及电子产品中。
本模块采用锂电池供电，其优势在于可以充电，用户没必要买新的电池，节能环保。单片机STC89C52的输入电压要求是5 V，故使用意法半导体公司的L7805稳压芯片，稳定锂电池的输出电压，供单片机使用。另外，这里采用的无线收发装置是杭州金龙电子有限公司的KL-NRF905模块，其最低工作电压是3.0 V，用AMS（奥地利微电子）公司的AMS1117-3.3的稳压芯片，将 5 V转成3.3 V供NRF905使用[2]。
KL-NRF905是使用挪威Nordic公司的NRF905芯片开发而成的，主要用于433、868、915 MHz的开放ISM频段（Industrial Scientific Medical Band），可免许可证使用，且其内置硬件CRC（循环冗余校验码）检错和点对点通信地址控制，工作特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易地通过SPI（串行外设）接口设置其地址，这样保证了无线通信的安全性；另一方面，KL-NRF905的特点是低功耗性，在供电为3.3 V时待机模式下电流仅为2.5 μA，收发模式切换时间小于50 μs，在发射功率为+10 dBm时电流为30 mA，接收数据时为12.2 mA，实验测得，在锂电池容量为3 000 mAh时，能使用大约4 000次，完全满足生活需要。
KL-NRF905共有4种工作模式, 其中有2种活动模式（RX/TX模式）和2种空闲模式，软件设置LED1为接收数据的指示灯，LED2为发送数据的指示灯。模块的工作模式由PWR-UP、TRX-CE和TX-EN三个引脚共同确定，见表1。
其中， ShockBurst TX 为发送数据活动模式， ShockBurst RX 为接收数据活动模式。
1.3 感知控制模块设计
感知控制模块由微控制器、无线通信电路、稳压电路、继电器控制电路和热释红外识别电路组成。同样这部分的微控制器是STC89C52型单片机。感知控制模块的电路图如图3所示。无线通信装置与应答模块中的原理和功能类似，两模块中的KL-NRF905，当其中一个作为发送装置时，另外一个则为接收装置；当一个作为接收装置时，另外一个则为发送装置。此外，稳压电路部分和发送与接收指示灯部分功能和原理都是相同的，这里不重复介绍。
感知控制模块包含热释红外识别电路。众所周知，自然界凡是温度高于绝对零度的物体都会放出红外射线，且具有不同温度的物体发出的红外射线波长也是不同的，本系统利用这一点，选择红外传感器对人体的存在信息进行探测。本模块采用的是聚英电子型号为HC-SR501的红外传感器，其工作原理是：人体体温一般是37℃左右，会发出波长大约为10 μm左右的红外射线，红外探头的热释电元件在接收到变化的红外辐射时会向外释放电荷，导致电荷量不平衡，产生电势差。HC-SR501为双元件设计，在它内部有两个电极化方向恰恰相反的热释电元件串联在一起，环境辐射作用于两个热释电元件的影响基本相同，即它们产生的热释电效应是相互抵消的，这时，没有电势差输出，也就消除了环境辐射对整个传感器的影响，另外还要增设一个菲涅尔透镜，使红外线聚焦于探头，提高了红外探头灵敏度[3]。安装时，把探头面朝外，有效范围为室外，另外通过设置的感应封锁时间，避免重复感知和开启门的发生。
感知控制模块还包括继电器电路，这里使用的是深圳市铠新兴电子有限公司的松乐继电器SRD.12 VDC.SL-C，继电器的功能是完成对电控锁的开启，而门的关闭则由门上的机械臂自动完成。
2 系统的软件设计
2.1 感知控制模块和应答模块工作流程图
图4和图5分别是感知控制模块和应答模块的工作流程图。
2.2 无线通信电路程序设计
2.2.1 SPI接口配置
在使用KL-NRF905之前需对其进行配置，这些配置都是通过单片机SPI接口发给KL-NRF905的，SPI的工作方式可以由SPI的指令进行设置，即使KL-NRF905处于空闲或关机状态，SPI仍然可以保持工作状态，SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。
本设计中选用的STC89C52单片机并没有SPI接口，要对KL-NRF905进行操作就要了解时序和配置参数，并用软件模拟出SPI接口的工作时序。SPI时序图[4]如图6和7所示。
在SPI接口的读函数中，简要分为以下几个步骤：⑴MISO要准备好数据等待无线通信模块发送；⑵置高SCK，主机读走线上的数据；⑶置低SCK，准备下一位数据的接收。上述步骤要循环8次才能够通过SPI接口读取数据。
而在SPI接口的写函数中，简要分为以下几个步骤：⑴MOSI准备好需要发送的数据；⑵置高SCK，器件从MOSI线上读取数据；⑶置低SCK，准备发送下一位数据。上述步骤循环8次即可完成SPI数据的发送。
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，还要对通信模块内部的寄存器进行合理的设置，限于篇幅此处不过多介绍。
对器件内部寄存器的编程合理设置后，就可进行信息的传输了。KL-NRF905完成接收数据简要分为以下几个步骤：⑴TRX-CE低电平，使得无线通信模块进入待机模式，降低功耗；⑵使能SPI接口发出指令，准备接收数据；⑶连续8次循环利用SPI读函数，处理器读取无线模块收到的数据；⑷等待DR和AM管脚重新被置为低电平。
无线通信模块完成发送数据主要分为以下几个步骤：⑴通过SPI接口向模块写入待发送的数据；⑵循环利用SPI接口写入待发送的数据包；⑶延时；⑷通过SPI接口将地址信息写入；⑸采用循环程序逐位写入地址信息；⑹发送数据，发送完成后模块会收到一条完成信息，将DR管脚置高。
3 结论
本文介绍了红外感知与无线应答的非接触式门禁系统设计，给出了详尽的硬件电路和软件设计。实际应用证明该系统成本低廉、功耗低、安全性能符合日常要求,应用市场广阔，有着很好的实用价值和推广潜力。
参考文献
[1] 孔慧芳，丘宇宁. PKE智能钥匙系统设计[J]. 微型机与应用，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. 智能教室灯光控制系统的设计[D]. 武汉：华中师范大学，2012.
[4] Nordic Semiconductor. NRF905 Datasheets[EB/OL].(2006)[2014-04-01]. http://www.nordicsemi.com.