基于RFID门禁系统的设计.doc
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基于RFID门禁系统的设计
基于RFID门禁系统的设计
作者：
**指导老师***
1绪论
1.1课题研究的背景
射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。
同时，经济水平的高速发展让人们越来越关心建筑内部的安全性。
为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，门禁系统应运而生。
门禁系统集电脑技术、电子技术、机械技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。
本文研究的基于射频识别技术的门禁系统就是这样的一种系统[1]。
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1.2课题研究的意义
当今科技飞速发展，给人们带来利益的同时，也带来了不法份子利用高科技进行盗窃、抢劫和犯罪等问题。
怎样才能使人们的安全防范措施跟上科技的发展、有效的阻止这些犯罪行为呢？
仅依靠普通的防盗门、门锁和监控是不够的。
原始的安防措施就是把门锁上，由人巡逻保证安全，随着科技的进步，智能化的门禁系统已成为现代化管理的重要手段。
智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自动识别技术和现代安全管理措施结合起来。
在社会财富不断增长的今天，建筑物内的主要管理区、出入口、贵重物品的库房、设备控制中心、电梯口等重要部门的通道口都需要加强安全防护措施，这就需要开发出与之相对应的智能门禁系统，识别出入口人员的身份，对出入口进行控制。
本课题提出了基于射频识别的门禁控制系统，具体分析和研究了其中的一个重要部分“门禁控制系统”。
门禁控制系统作为居民人身和财产安全的重要措施，其研究结果具有深远的现实意义[2]。
1.3门禁系统国内研究状况
我国本土厂商（如爱迪尔、华本、芯微）等已经成功研发了指纹识别芯片，国内对门禁系统的研究已经从认识研究阶段发展到自主研究阶段，而在系统的结构方面，国内的门禁系统的核心就是控制器，门控器大多由国外企业开发研制，但国内大部分厂家对门禁系统的研究仍然处于仿制阶段，没有对门禁系统核心技术惊醒自主研究开发[4]。
2RFID门禁系统理论基础
2.1射频识别技术
射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是从八十年代逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
射频识别是无线电识别的简称，它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别等高新技术，顺应了电子商务、交通运输、物流管理的发展需要。
是当前最受人们关注的技术之一。
射频识别技术具有非接触、自动完成识别过程、不易损坏、可识别高速运动物体、数据存储量大等优点，极大地加速了有关信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展[7]。
2.2.射频识别技术原理
通常情况下，RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的，
其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。
而RFID卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路芯片及其外接天线组成，其中RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。
RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。
可见，RFID卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。
一方面，无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了RFID卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式[8]。
2.3射频识别系统的结构
射频识别系统的典型结构主要是由两部份组成：
读写器和射频卡。
图2-2RFID系统结构
RFID卡中有存储器，可以存储永久性数据和非永久性数据。
永久性数据可以是RFID卡序列号，它是用来作为RFID卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在EEPROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。
RFID卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。
控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。
RFID卡分无源卡和有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。
读写器内的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。
计算机的功能是向读写器发送指令，并与读写器之间进行数据交换[9]。
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2.4射频识别系统的结构
门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。
因此，系统的设计应遵循下列原则：
（1）实用性门禁系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。
如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需要偏离太远。
因此，系统的实用性是首先应遵循的第一原则。
（2）实时性如果门禁系统中任何一个关键系统出现差错或停机将直接影响到整个系统的运作情况。
因此，门禁系统各子系统应尽可能属于不停机系统，以保证工作正常运行。
（3）完整性一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志。
功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。
（4）系统的安全性门禁系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全标准，并可在非理想环境下有效工作另外，系统安全性还应体现在信息传输及使用过程中，不易被劫获和窃取等方面。
（5）可扩展性门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化因此门禁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，亦即：
可灵活增减或更新各个子系统，满足不同时期的需要，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。
系统设计时，对需要实现的功能进行了合理配置，并且这种配置是可以改变的，设置甚至在工程完成后，这种配置的改变也是可能的和方便的。
系统软件根据需求进行相应的升级和完善。
（6）易维护性门禁系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行。
系统的运转真正做到开电即可工作，插上就能运行的程度。
从计算机的配置到系统的配置，都充分仔细地考虑了系统可靠性"在做到系统故障率最低的同时，也要考虑到即使因为意想不到的原因而发生问题时，保证数据的方便保存和快速恢复，并且保证紧急时能迅速地打开通道。
整个系统的维护是在线式的，不会因为部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。
（7）稳定性门禁系统和我们的生活和工作联系非常紧密，门禁系统的职能是保护人身和财产的安全，一旦系统开始工作就要求连续不间断的运行，所以稳定性对于门禁系统来说就显得非常重要[10]。
2.5本论文拟解决的关键问题与解决方法
本文研究RFID的门禁系统设计，用51单片机实现小区刷卡开门，当RFID为合法卡时可以开门进入，否则无法进入，并且有期限管理。
2.5.1拟解决的关键问题
1）怎样刷卡，采集卡号；
2）怎样判断RFID卡是否合法，能够开门；
3）怎样控制卡号是否到期；
4）怎样控制门的开关。
2.5.2解决方法
1）用STC89C52RC单片机控制FM1702Sl高频读卡器实现刷卡，读取卡号，卡号及看门状态会用LCD1602液晶显示屏显示；
2）采用实现将RFID卡号保存到存储器EEPROM中的方法来进行注册，刷卡时查询存储器的卡号是否存在，若存在则合法开门；
3）采用定时器DS1302进行时间设定，时间到期后需重新注册；
4）采用单片机控制步进电机模拟开门，当卡号合法时步进电机转动开门，此外还需要红外传感器判断刷卡者是否通过，若通过则关门，步进电机反转。
3.门禁系统的硬件电路设计
此次设计的门禁系统主要有读卡模块、单片机控制模块、步进电机电路、红外传感器模块、存储模块、定时器、蜂鸣器提示电路、显示电路。
其中高频读卡器模块FM1702Sl能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式RFID卡，读卡距离约10cm。
控制模块采用STC89C52RC单片机，它具有8K可编程Flash存储器。
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3.1FM1702SL读卡器
FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，适用于各类计费系统的读卡器的应用。
尤其FM17XXL系列芯片，其三路电源的最低工作电压均可达2.9V，这一特性优于其他公司的同类产品[11]。
本文中FM1702Sl读卡器主要是通过SPI总线协议，下面主要对它进行介绍。
3.2SPI总线协议
SPI（串行外设接口）总线系统是一个同步串行外设接口。
由于SPI系统总线只需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件，而并行总线扩展方法需8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因而SPI总线的使用可以简化电路设计，提高设计的可靠性[12]。
SPI工作原理如下，电路包括3个主要部分：
移位寄存器、发送缓冲器和接收缓冲器。
其中，发送缓冲区与数据总线相连，可以由用户程序写入欲发送的数据，然后自动向移位寄存器装载数据；接收缓冲器也与数据总线相连，可以由用户程序读取接收到的数据。
移位寄存器负责收发数据，他有移入和移出两个端口，分别与收和发两条通信线路连接，与通信对端单片机的移位寄存器，恰好构成一个“环形”结构。
SPI接口工作可分为半双工通信和全双工通信两种操作过程。
3.3Mifare射频卡介绍
本文中采用的RFID卡为Mifare卡，其核心是Mifare1ICS50系列微芯片。
Mifare的主要指标
1）容量为8K位EEPROM
2）分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位
3）每个扇区有独立的一组密码及访问控制
4）每张卡有唯一序列号，为32位
5）具有防冲突机制，支持多卡操作
6）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路
7）数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次
8）工作频率:
13.56MHZ
9）通信速率:
106KBPS
10）读写距离:
10mm以内（与读写器有关）
首先卡与读写器的通讯为：
（1）复位应答Mifare卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。
（2）防冲突机制当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。
（3）选择卡片选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。
（4）三次互相确认选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流
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