基于RFID的门禁控制系统研究设计刘珊.docx
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基于RFID的门禁控制系统研究设计刘珊
基于RFID的门禁控制系统研究设计
摘要：
随着社会经济和科技的飞速发展，射频识别技术越来越广泛的应用于各种行业，特别是身份识别和安防等行业，门禁系统作为智能建筑的重要单元越来越得到重视。
射频识别技术使用射频标签是非接触式的、读写速度快、功耗低。
本文设计了一种采用RFID技术的高安全性的门禁系统，是通过RFID认证快速确认人员的真实身份的智能门禁系统。
当使用者进入门禁系统的检测范围时，系统会自动获取身份信息确定该使用者是不是合法用户，并且记录进出人员的信息，对非法闯入者发出报警信号。
本论文分析了门禁系统的国内外发展现状和趋势，引出课题的研究目的和意义，提出了基于射频识别的智能门禁系统设计方案，对射频识别技术进行了阐述，分别从射频识别技术的基本概念和工作原理两部分进行了阐述。
从射频识别系统的组成出发，介绍了射频识别系统的工作原理、主要技术参数和RFID涉及到的关键技术。
还分析了系统的硬件和系统的软件设计过程，对硬件电路芯片的选择、硬件驱动程序的设计、串口通讯程序的设计等作了具体详细的介绍。
关键词:
射频识别；门禁控制器；ID卡；智能门禁
DesignofbuildingaccesscontrolandmanagementsystembasedonRadioFrequencyIdentification
ABSTRACT：
Alongwiththesocialeconomyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,radiofrequencyidentificationtechnologyarebecomingmorewidelyusedinvarioussectorsparticularlytheidentificationandsecurityindustries，accesscontrolsystemasanimportantelementofintelligentbuildingmoreandmoreattention.Radiofrequencyidentificationtechnologymakesradiofrequencylabelsthatarenon-contact，readandwritespeed，lowpowerconsumption，thisarticledesignedauseofRFIDtechnologyinhigh-securitysmartaccesscontrolsystem，istheRFIDcertificationquicklyconfirmthatthestaffofthetrueidentityofintelligentaccesscontrolsystem.Whenusersentertheaccesscontrolsystemforthedetectionrange，thesystemwillautomaticallyobtainidentityinformationtoidentifythepersonusingthemisnotalegitimateusers，andrecordentryofinformation，ontheillegalintruderalarmsignal.
Ithasanalyzedtheentranceguardsystemdomesticandforeigndevelopmentpresentsituationandthetendencyinthispaper，drawsoutthetopictheresearchgoalandthesignificance，proposedbasedontheradiofrequencyrecognitionintelligententranceguardsystemdesignplan.Secondly，onradiofrequencyidentificationtechnologyaredescribed，fromradiofrequencyidentification
technologyconceptsandworksintwoparts.FromradiofrequencyidentificationsystemofstartgivesradiofrequencyidentificationsystemworksthemaintechoicalparametersandRFIDkeytechnologiesinvolved.Detailsaboutthesystem’shardwareandsystemsoftwaredesignprocess，designoutguardsystemRFIDcards。
Ontheselecthardwarecircuitchips,hardwaredrivers,design,serialcommunicationsprogramssuchasthedesignforspecificdetails.
KeyWords:
RFID;AccessController;IDCards;IntelligentAccess
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题研究的背景
射频识别技术（（RadioFrequencyIdentification：
RFID）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]。
1.1.2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。
1.2门禁系统的发展及国内外研究状况
近年来，随着计算机技术的和网络系统在社会各个领域的迅猛发展，门禁系统显示出了它强大的发展空间，电子锁不断成熟发展起来，接触式的智能IC卡和通过输入密码的门禁系统逐渐得到人们的重视。
使用计算机管理整个系统，通过网络连接系统的读卡装置管理终端门，智能IC卡具有一定的存储能力和运算处理能力，通过对IC卡进行授权和初始化处理后能够作为开关门锁的特殊钥匙，构成一个智能化的现代门禁系统。
随着接触式智能IC卡门禁系统的应用，其市场规模不断的扩大，它自身不
可克服的缺点成为智能IC卡门禁系统发展的障碍。
通信的全球化和网络信息的
飞速发展，人们对各方面提出了更高的要求，要求信息载体便于携带、安全性高、使用简单等，非接触式智能IC卡具有无机械磨损、维护方便、使用简单等特点，具有强大的潜力因此成为业界备受关注的新军。
随着数字化的普及和发展，数字电路的性能不断的完善和提高，芯片的价格也越来越低，使得人们能够有机会设计出大量各种性能、性价比高的产品[2]。
控制处理模块是门禁控制系统所有功能和组态方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防范能力以及对日常工作的管理。
1.2.1国外研究现状
目前，欧美门禁系统市场的发展已经日趋成熟，产业分工细化，在国际市场上占有较大的份额。
生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的休斯（HID）、西屋（WSE）、洛泰克（NTK），以色列的DDS、英国的集宝等品牌。
国外设计开发的的门禁系统安全性较高，但价格也不菲。
生产控制器的公司就只研究生产控制器和软件。
如美国的NorthernComputer公司、CSI公司。
随着其产业化的形成，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低，现已进入1000美元一套系统的可广泛运用的市场。
正是由于市场的不断成熟，人们在普遍接受门禁系统的观念之后，在采购方面已可很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行系统集成就可为用户方便安装成整套系统。
从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，虽然磁卡和接触式IC卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场[2-3]。
1.2.2国内研究现状
国内从事门禁系统有门吉利、捷顺、北京青云等公司。
国内对门禁系统的研究已经从认识教育和试用阶段进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与制造过程中还有以下几点不足之处，主要表现为：
（1）采用国外已有的集成模块，像读写器、门禁控制器、天线模板等；
（2）对国外已有的系统进行仿造；
（3）产品单一、开发成本较高。
在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，但是生产IC卡和读卡器的关键技术则被欧美国家和部分亚洲国家所垄断。
而在系统的结构方面，国内的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。
即门禁控制器先接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。
但国内大部分厂家对门禁系统的研制处于感知阶段，并没有从理论上对门禁系统进行研究。
虽然国内已经实行“金卡工程”，并且对于非接触式IC卡的技术的开发和应用给予高度重视，但是智能门禁系统的使用在国内还处于发展时期，因此对关于门禁系统的理论进行研究非常需要。
第2章门禁系统的理论研究技术基础
2.1射频识别技术简介
射频识别技术作为快速、实时、准确的采集信息和处理信息的高新技术，被世界列为21世纪十大重要的技术之一，在生产、销售和物流等领域有着广阔的应用前景。
它逐渐成为企业提高物流和供应链的管理水平、降低成本、实现管理信息化、参与国际经济循环和提高企业竞争力不可缺少的工具和手段。
射频识别技术起源于上个世纪40年代的雷达技术，在90年代开始广泛的使用，射频识别技术是利用电磁感应、无线电波或者微波进行非接触双向通信，通过空间耦合实现非接触信息传递并且通过传递的信息达到识别目的和交换数据的技术。
射频识别技术应用领域众多，是当今信息技术在全球物品编码和物资流通方面的最新应用，射频识别技术的出现，给工业生产、产品配送和日常生活带来了一场前所未有的变革，在物流和交通等很多领域发挥着极其重要的作用，这一技术将会对提高生产效率和促进人类文明的发展产生巨大影响。
2.1.1射频识别技术原理
RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的，见图2-1。
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（IC）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。
图2-1射频识别系统原理图
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。
2.1.2射频识别系统的结构
射频识别系统的组成如图2-2。
一个典型的识别系统共由两部份组成：
读写器和射频卡。
读写器同射频卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线。
射频卡应置于要识别的物体上或是由个人携带，射频卡是信息的载体，其中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特，可以存储永久性数据和非永久性数据。
永久性数据可
图2-2RFID系统结构
以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在E2PROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。
射频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。
射频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。
读写器的核心部分是控制单元，高频通讯模块和天线，读写器内的控制单元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。
2.1.3RFID同其它自动识别技术的比较
随着计算机技术的不断发展，相继涌现出多种自动识别技术，目前主要有：
光符识别技术（OCR）、磁字符识别技术（MICR）、磁性条识别技术（MBR）、机器视觉系统（NIVS）、条码识别技术、IC卡识别技术及射频识别技术等。
，通常用首读率和误码率两个指标评价一种自动识别技术。
首读率是指当对一组数据进行一次性识别时，其中一次性识别成功的概率，常用FRR表示。
误码率是指对一组数据进行识别时，其中可能出现一个错误字符的统计概率，常用SER表示[3]。
OCR技术由于FRR不高，逐步被条码技术取代；磁字符识别技术专用于银行业务中，阅读设备复杂；机器视觉系统通常被用于自动分类和检查产品的制造业中。
这些技术或正被淘汰，或只用于专业系统，所以这里不再讨论。
而条码、磁性条识别技术，IC卡识别技术、射频识别技术等识别技术现在使用的较为广泛，它们都有各自的优缺点及适于应用的场合。
表2-1列举了几种识别技术各自的优缺点。
条码成本最低，适于大量需求且数据不必更改的场合，例如用在商品包装上。
一般的条码是纸质的，较易磨损，且数据量很小。
磁性条的成本也很低，但是容易被伪造，数据量小。
IC卡的价格稍高些，数据存储量很大，数据可以加密，安全性好，但是由于它的接触点在外面，有可能被损坏。
而射频识别技术最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化。
由于射频卡是完全封装的，不易损坏，适于在恶劣环境中使用，还可识别高速运动物体并且同时可以识别多个卡，因此操作快捷、方便[4]。
表2-1几种识别技术的区别
信息
载体
信息量
读/写性
读取方式
保密性
智能化
环境适应能力
寿命
ISO标准
成本
条码
纸、塑料薄膜、金属表面
小
只读
CCD或激光束扫描
差
无
差
较短
有
最低
磁性条
磁性物质
一般
读/写
电磁转换
一般
无
较差
短
有
低
IC卡
E2PROM
大
读/写
电擦除
较好
有
好
长
有，不全
较高
RFID卡
E2PROM
大
读/写
无线通讯
最好
有
很好
最长
有
较高
2.2门禁系统结构原理
2.2.1门禁系统的功能
传统的方法是工作人员对出入人员进行登记放行。
这种方法费力又容易出错，而且管理不严格。
随着技术的进步，门禁系统由原始的钥匙开门发展到了IC卡的门禁系统管理到最后的非接触式IC卡门禁系统。
门禁系统的功能如下[5]：
（1）时刻自动记录人员的进出情况，限制内部人员的进出区域和进出时间，礼貌地拒绝不速之客，同时也将有效地保护公共财产不受非法侵犯。
（2）系统的每个远端控制器通过总线方式与控制中心实时联系，记录所有进出入人员的信息，包括人员姓名、进入时间和进入的门等，如请求进入的人员身份合法，电锁将打开；否则电锁不会开启。
（3）人员可以向控制中心申请权限，中心批准后可以使用该卡开指定的门。
（4）控制中心通过管理软件对所有远端控制器进行实时监控，随时汇整数据，并根据需要将资料打印出来。
2.2.2门禁系统的结构
门禁系统由门禁控制单元、通信管理器、管理主机、管理软件等组成。
其中门禁控制单元是由门禁控制器、读卡器、电控锁、门磁传感器、开门开关、识别卡构成（如图2-3所示）。
图2-3门禁系统的构成
门禁控制器是整个系统的核心控制部分，对门锁的一切操作均由它来控制完成，主机发下的控制命令、门锁的状态和记录信息都经由门控器来传送，并且控制读写器、接收读写器的资料等。
读写器是使用者与系统的一个接口，它必须具备以下基本功能。
（1）非接触式IC卡进入/退出射频区的识别与控制；
（2）通过射频方式向非接触式IC卡提供稳定的电源和时钟信号；
（3）实现与IC卡的数据交换，并提供相应控制信号；
（4）对应加密数据系统，应提供相应加密/解密处理及密钥管理机制；
（5）提供相应外部控制信息及与其他设备的信息交换。
因此，本部分的性能非常重要。
在本系统中的射频读写芯片采用Philips公司的MFRC500，该芯片是Philips公司的最新产品，比以往的射频识别芯片具有更好的性能[6]。
门磁传感器可以反映门的实时状态，通过门磁信号微处理器可以判断是否是合法开门，若是非法开门，则给出相应报警信号。
电控锁是门禁系统的执行机构，有阳锁、阴锁之分。
按照识别身份技术的不同，可以把门禁系统划为磁卡门禁、非接触式IC卡门禁系统、指纹门禁系统等。
在以卡识别技术为主的系统中，用户可以根据需要选择各种类型的读卡器，也可以选用数字密码键盘开锁，常用于酒店、商场、公司、机关等公共场合。
对于通过指纹鉴别身份的门禁系统，通常用于保密性很强的出入控制场所[7]。
第3章基于射频识别的门禁系统总体设计
3.1系统总体方案设计
3.1.1系统设计的基本原则
门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，由于系统本身具有隐蔽性、及时性等特点，在许多领域的应用越来越广泛。
门禁系统处于技术的尖端，具有实用性、实时性、完整性、安全性、可扩展性、稳定性、易维护性。
1.系统的实用性
门禁系统的内容应符合实际要求，门禁系统是一项应用系统，应该符合实际应用的需要。
如果在设计系统时盲目的追求高端性和超前性，可能会与实际应用和需要偏离，造成投资过大而不符合实际需要。
2.系统的实时性
门禁系统中任何一个系统出现错误或停机将直接影响到整个系统的运作情况，门禁系统各子系统应尽可能属于Non-stop（不停机）系统，以保证工作正常运行。
3.系统的完整性
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取等方面。
5.系统的可扩展性
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，即：
随着用户的需求可灵活增减或更新各子系统，满足不同时期的需求，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。
6.系统的稳定性
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。
7.系统的易维护性
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的程度。
而且维护过程中无需使用过多专用的维护工具。
门禁系统在设计时结合目前国内外的实际应用水平，使系统建成后能立即得到充分的利用，采用合理的投资而得到最佳的效果。
主要体现在三方面：
（1）在满足功能性和可靠性的前提下，初期的总投资要尽可能少。
（2）系统运行后的管理和维护费用少。
（3）系统在未来进行更改或搬迁以及改造升级时需要少量资金便可达成。
3.1.2系统总体方案
基于MFRC500射频识别门禁系统是以射频识别读写器为核心，系统的总体结构见图3-1，再增加门锁继电器以及其他一些辅助器件而组成的系统[8]。
系统的工作原理是先由微处理器AT89C52控制射频识别读写器读取非接触式IC卡的信号，接着，AT89C52根据所得数据输出四个开关量信号（门阀继电器有两个，分别控制进出），经放大后分别用于控制门锁继电器和读取门磁信号，并且整个系统与上位PC机之间进行通讯，获得指令以及传输系统状态等，最后，对系统的辅助设备，如液晶屏、E2PROM等进行操作。
图3-1系统的总体结构图
3.2系统各硬件的选择及设计
3.2.1处理器AT89C52
AT89C52是一种高性能、低消耗、CMOS工艺的八位微处理器。
它具有一下特性[13]：
AT89C52与MCS51系列的单片机芯片在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围:
0Hz~24Hz；三级程序存储器加密；128×8位内部RAM；32位双向输入输出线；三个16位定时器/计时器；六个中断源，两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两中工作模式。
在实际应用中，AT89C52可以构成真正的单片机最小应用系统，提高系统的可靠性，缩小系统的体积。
AT89C52的工作电压是5V，这样它同MFRC500可以工作在同一个电源下。
其内部的8K字节的程序存储器足够装载系统的程序（系统程序有6K），无需扩展程序存储器。
AT89C52具有三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，保证了程序或系统不被仿制。
因此，本系统采用AT89C52。
3.2.2MFRC500
从图3-1可以看出系统最重要的部分是基于MFRC500的射频读写模块的设计。
由于MFRC500的集成度很高，而且具有其独有的特性，因此，在开发时要严格遵守MFRC500的特性[8]。
（1）要求工作电压稳定，并且要在允许范围内（见表3-1）。
表3-1MFRC500
电压参数特征
最小电压
升级会员 