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门禁系统论文
非接触式IC卡门禁控制系统的设计
摘 要
门禁系统作为出入口控制系统，它的作用在于管理人群是否可以进出重要管制区域，限制XX者进入特定区域，为重要保护对象提供有效的安全保障，还根据实际需要来查询相关出入记录。
现在最常使用的是非接触式IC卡门禁系统，非接触式IC卡门禁系统有着非常广阔的市场前景，而且使用越来越普遍。
控制器是门禁系统的核心部分，是门禁系统的灵魂。
本文以门禁系统发展历程为背景，介绍了非接触式IC卡门禁系统的工作原理，并进行设计和制作，着重对门禁系统的控制器进行详细阐述和设计。
整个门禁系统使用方便、快捷、安全，具有很大的实用价值和应用前景，并具有较高的性价比和良好的扩展性。
未来的门禁系统将会更加便捷、安全、经济、实用，功能也一定会更加丰富。
关键词：
门禁控制器 非接触式IC卡 单片机 射频识别
Non—ContactICCardAccessControlSystemDesign
Abstract
TheroleofAccesscontrolsystemastheimportandexportcontrolsystemistomanagethepeople’saccesstoimportantareas，limitunauthorizedaccesstoaspecificarea，toprovideeffectiveprotectionofobjectsofsecurity，andchecktheactualrelevantaccessrecords．system．Nowadays．themostpopularisAccesscontrolsystembasedonNon-ContactICcardwhichhasaverypotentialmarketingprospect．andalsoisbeingusedmoreandmorepopular．Controlleristhecorepartandsoulofaccesscontrolsystem， Basedonthebackgroundofdevelopmentaccessofaccesscontrolsystem，thepaperintroducestheworkingprinciple，designandproducingofaccesscontrolsystembasedonnon-contactICcard．andfocusesonthedescriptionanddesignofaccesssystemcontroller．Thewholeaccesscontrolsystemisveryconvenient，quickandsafe，withbigpracticalvalueandapplyingprospect，andhashighcostperformanceandgoodexpansibility．Thecomingaccesscontrolsystemwillbemoreconvenient，muchsafer，moreeconomic，morepracticalandmorefunctions．
Keywords：
AccessControlSystem Non-contactICCard SingleChip RadioFrequencyIdentification
目 录
前言
随着中国经济的飞速发展，人们对安全问题的关注促使了中国安防产业市场快速发展。
经济发展过程中引起的社会治安状况也令人担忧，日益扩大的贫富差距使得发展中国家的犯罪率不断上升，社会对安防产品的需求也因此日益高涨。
作为安防产业中首要环节的门禁系统已成为多数智能化项目中最常见的安防子系统之一。
同时，门禁一卡通系统在政府、企业、工厂、石化、汽车、造船、金融、医院、部队等行业得到了大量应用，直到2007年，中国已成为继美国之后全球第二大安防需求国。
随着中国经济的飞速发展，人们对安全问题的关注促使了中国安防产业市场快速发展。
经济发展过程中引起的社会治安状况也令人担忧，日益扩大的贫富差距使得发展中国家的犯罪率不断上升，社会对安防产品的需求也因此日益高涨。
作为安防产业中首要环节的门禁系统已成为多数智能化项目中最常见的安防子系统之一。
门禁系统属于楼宇自动化系统的一部分，具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能，它主要方便内部员工或住户出入，杜绝外来人员随意出入，既方便了内部管理，又增强了内部的保安。
一套现代化的，功能齐全的门禁系统，不止是作为进出口管理使用，而且还有助于内部的有序管理。
它将时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入区域，出入时间，礼貌的拒绝不速之客。
同时也将有效地保护财产不受非法侵犯。
出入管理控制钥匙功能：
一张非接触式IC卡经授权后可以进入小区所有被允许的门，XX的持卡者将被拒之门外，可以赋予住户只能进入他可以进出的门，也可以授权保安可以通过所有的门，甚至还可以规定他们在什么时间可以进入哪几道门，哪几道门在什么时间可以定时打开等功能。
实时监控和联动功能：
可以通过微机即时监控所有门开关和进出情况，并能实时显示住户的资料和照片，查询每个门住户的出入记录，便于针对具体事情的发生时间进行查询，落实责任。
安全可靠便于扩展：
系统扩展性好，具有大规模联网功能，可以随时以低成本升级增加新的控制门。
也可结合原有的停车场系统，小区内消费系统、楼宇对讲系统等扩展为小区一卡通。
智能建筑的推广，建立连网门禁系统也成为一种趋势，门禁系统将有更广阔的发展空间。
随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用范围越来越广泛。
人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能。
而基于射频识别的门禁系统针对集成应用给出了可行方案，具有重要的意义。
门禁系统被引进国内已有十多年历史，从最初的独立型、密码或刷卡型，发展到现在感应读卡及联网型。
目前国内的门禁系统的技术发展状况可以从以下几个方面来评析：
从系统架构上看：
有RS485架构或RS485+IP网络混合架构或全IP网络架构，三种并存，但其中RS485架构最普及，近年全IP网络架构发展较快，但是IP网络架构仍不是市场主流，可能用户较钟情于RS485+IP网络混合架构。
从读卡技术上看：
发展较快，近年CPU卡将逐步取代IC卡，但成为主流还需时日。
生物识别技术将会受用户青睐，特别是指纹、掌型及面像识别相对比较突出。
在组成的系统中还可能会要求多种识读技术兼容。
从联动技术上看：
对联动会提出高要求，特别是与电视监控、消防报警、楼宇自控系统的联动。
联动方式是基于基础硬件的联动向基于纯软件的联动发展，特别是IP网络快速发展的今天，更凸显出网络为基于软件联动提供了方便，也是只有软件联动更适合数字化、网络化。
从一卡通应用上看：
因为基于感应卡或基于生物特征的身份识别，所以门禁必然会向一卡通方向发展，前景是“一卡、一库、一平台”，和网络联合起来的门禁系统给我们的应用和维护都带来很大的方便，这一趋势已逐渐被市场所接受[1][3]。
本文通过对整个门禁系统理解，选择了经济适用的元器件进行设计，在实现功能的同时，较好的节省了成本。
本文的重点在于门禁系统控制器的设计，不但进行了硬件方面的详细设计，而且在软件上面也进行了一些研究。
门禁系统（EntranceGuard/AccessControl），又称出入管理控制系统，是在传统的门锁基础上发展而来的对出入口通道进行管制的系统，用于管理人员的进出，限制XX者进出特定区域，从而提供有效的安全保障，还可根据实际需要来查询相关的出入或操作记录。
目前，门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，成为一种新型的现代化安全管理系统。
它涉及电子、光学、机械、通讯，计算机、生物等诸多新技术。
它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。
适用如银行、机房、军械库、机要室、办公间、智能化小区、工厂等工作环境安全要求较高的各种机要部门。
同时在人事考勤管理等行政管理工作中也发挥着巨大的作用。
另外，在该系统的基础上增加相应的辅助设备，还可以实现电梯控制、物业消防监控、车辆进出控制、保安巡检管理等区域内一卡智能管理。
如上所述，门禁系统是在传统的门锁基础上发展而来，所以早期人们只是在门锁这个单纯的机械装置上下功夫——设计更合理的门锁结构，选择更坚固的门锁材料，可是无论在这两方面下多少功夫，人们总能通过各种手段把它打开。
另外，在人员变更频繁的场所（如一些大型机关、企业的办公室，酒店客房等）钥匙的管理也是一个很烦琐的工作，而且钥匙的管理成本也很高，钥匙丢失或人员更换时往往要把锁和钥匙一起更换。
特别是传统机械钥匙容易出现重复，而且出入没有记录，其安全性非常差。
为了弥补上述问题，同时伴随着电子芯片的高度集成化，于是出现了电子磁卡锁，电子密码锁，后又出现接触式IC卡，非接触式磁卡，直到现在的生物识别门禁系统，这个过程的发展使得门禁系统的功能越来越完善，操作也越来越人性化。
根据前端信息采集即进出识别方式，门禁系统的发展过程可以概括为四个阶段：
密码识别式门禁系统、接触卡式门禁系统、感应卡即非接触式IC卡门禁系统、生物特征识别门禁系统。
第一代门禁系统——密码识别式门禁系统，即通过检验单一的键盘输入密码是否正确来判别进出权限，常用的有普通型键盘和乱序键盘（键盘上的数字不是固定的，要不定期的进行变化）两种。
第二代门禁系统——接触卡式门禁系统，即通过读卡或读卡加密码方式来判别进出权限。
第三代门禁系统――感应卡即非接触式IC卡门禁系统。
这种门禁系统是随着感应卡技术的发展而产生的。
第四代门禁系统——生物特征识别门禁系统。
即通过检验人员生物特征等方式来识别进出。
门禁系统的功能主要表现在以下几个方面：
（1）对人员、通道进出权限的管理
包括人员进出通道的权限设置，即对每个通道详细设置哪些人有权限进出，哪些人没有权限进出；对人员进出通道方式的设置，这个主要是用来给可以进出该通道的人进行进出方式授权的，常用进出识别方式有密码、读卡（生物识别）、读卡（生物识别+密码）三种方式；对人员进出通道的时间段的设置，这是用来具体设置可以进出通道的人员具体在什么时间范围内可以进出通道。
（2）记录功能
门禁系统除了以身份识别的方式制止非法人员进入重要区域外，还应该记录出入重要区域通道人员具体的出入时间、地点以及异常情况（门被非法侵入、门没有关、消防联动等），该记录作为历史数据，在需要的时候可供管理人员查询、参考。
如管理部门可根据需要随时在查询系统上查询各区域门禁的详细记录，并可随时打印出来。
各部门也可以根据需要，随时查询本部门员工的出入门情况。
（3）实时监控功能
系统管理人员可以通过计算机实时查看每个装有门禁区域人员的进出情况、每个门禁区域的状态（包括门的开关，各种非正常状态报警等），也可以在紧急状态下，控制器联动自动将门关闭，以保证重要保护区域不被“乘虚而入”、“乘火打劫”；或者在发生紧急事故时打开所有的门区，控制器联动自动将门打开，实现消防联动响应功能，以方便人员及时疏散，确保人身安全。
（4）异常报警功能
在异常情况下可以实现微机报警或室内红外报警器报警，如有非法人员企图进入，用非授权卡片刷卡不能开门、门被非正常打开或未正常关闭等。
同时也可以将门禁系统出现警报时的情况记录下来。
（5）网络设置管理监控功能
大多数门禁系统只能用一台计算机管理，而采用先进技术实现的系统则可以在网络上任何一个授权的位置对整个系统进行设置、监控查询管理，也可以通过INTERNET从而在网上进行异地设置管理或监控查询[2]。
第2.4节 射频识别技术
射频识别技术是从八十年代逐渐兴起的一项识别技术。
它是利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。
应当注意的是当前的RFID系统有很多工作频段，包括了低频、高频和超高频段。
工作原理也不尽相同，有的是利用近场的电磁感应（所以有人把射频卡称作感应卡），有的是利用电磁波发射。
与同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别。
另外不像IC卡那样有电触点暴露在外，射频卡是将芯片完全封装在内的，因此可以使用在比较恶劣的环境。
总之，RFID系统可在更广泛的场合中应用[3]。
2.4.1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，如图2.1所示。
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。
目前RFID已经得到了广泛应用，且有国际标准：
ISO10536、ISO14443、ISO15693、ISO18000等几种。
这些标准除规定了通讯数据帧协议外，还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规范。
RFID应用系统的标准制定决定了RFID天线的选择，下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的RFID天线及其性能[5]。
2.4.2射频识别而系统的典型结构
射频识别系统的典型结构见图2.2，主要是由两部份组成：
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（或感应线圈）。
射频卡中有存储器，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。
图2.2 RFID系统典型结构
图2.3为RFID系统的工作过程，这是一个无源系统，即射频卡内不含电池，射频卡工作的能量是由射频读写模块发出的射频脉冲提供。
射频读写模块在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。
射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。
电容电压经过稳压后作为工作电压。
数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分。
逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。
如果需要发送数据，则将数据调制然后从收发模块发送出去。
读写模块接收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时可以通过RS232或RS422或RS485或RJ45或无线接口将数据传送到计算机。
读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步，从而简化了系统的设计。
有源系统的工作原理与此大致相同，不同处只是卡的工作电源由电池提供的[6][7]。
图2.3射频识别系统原理图
第2.5节 介绍I2C总线规范
I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
I2C总线产生于八十年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用。
可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。
对于面向8位的数字控制应用，譬如那些要求用微控制器的，要建立一些设计标准：
一个整体的系统通常由至少一个微控制器和其他外围器件例如存储器和I/O扩展器组成；系统中不同器件的连接成本必须最小；执行控制功能的系统不要求高速的数据传输；总的效益由选择的器件和互连总线结构的种类决定。
产生一个满足这些标准的系统需要一个串行的总线结构，尽管串行总线没有并行总线的数据吞吐能力，但它们只要很少的配置和IC连接管脚。
然而，总线不仅仅是互连的线，还包含系统通讯的所有格式和过程。
串行总线的器件间通讯必须有某种形式的协议避免所有混乱、数据丢失和妨碍信息的可能性。
快速器件必须可以和慢速器件通讯。
系统必须不能基于所连接的器件，否则不可能进行修改或改造。
应当设计一个过程决定哪些器件何时可以控制总线。
而且，如果不同时钟速度的器件连接到总线，必须定义总线的时钟源。
所有这些标准都在I2C总线的规范中。
I2C总线支持任何IC生产过程（NMOS、CMOS、双极性）。
两线--串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。
每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器、LCD驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器（由器件的功能决定）。
很明显，LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。
除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以看作是主机或从机。
主机是初始化总线的数据并产生允许传输的时钟信号的器件。
此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。
I2C总线是一个多主机的总线。
这就是说可以连接多于一个能控制总线的器件到总线。
在I2C总线上产生时钟信号通常是主机器件的责任：
当在总线上传输数据时，每个主机产生自己的时钟信号。
主机发出的总线时钟信号只有在以下情况才能改变：
慢速的从机器件控制时钟线并延长时钟信号，或者在发生仲裁时被另一个主机改变。
第2.6节 非接触式IC卡的选择与介绍
射频卡或感应卡就是非接触式IC卡，它成功地将射频识别技术结合起来，解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。
非接触卡内含有唯一的独立的卡号，使用时在读卡器有效读区内将卡片轻晃一 下，便将卡内信息输入读器内，实现考勤、收费管理等功能。
卡片由一个元件、AISC和封套组成，没有其他的外部器件，卡片中的天线是只有线圈，很适合封状到ISO卡片中。
ASIC由一个高速（106KB波特率）的接口，一个控制单元和一个EEPROM组成。
读卡器向IC发一组固定频率的电磁波，卡内有一个IC串联谐振电路，其频率与读写器的频率相同，这样便产生电磁共振，从而使电容内有了电荷，在电容的另一端接有一个单向通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当储存积累的电荷达到2V时，此电源可作电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。
非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。
是世界上最近几年发展起来的一项新技术, 它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来，结束了无源（卡中无电源）和免接 触这一难题,是电子器件领域的一大突破。
卡片在一定距离范围（通常为5—10mm）靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。
（1）非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。
二者之间的通讯频为13.56MHZ。
非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作是，读写器发出的信号由两部分叠加组成：
一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。
另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器，完成一次读写操作。
读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。
（2）非接触性智能卡内部分区
非接触性智能卡内部分为两部分：
系统区（CDF）、用户区（ADF）
系统区：
由卡片制造商和系统开发商及发卡机构使用。
用户区：
用于存放持卡人的有关数据信息。
（3）与接触式IC卡相比较,非接触式卡具有以下优点:
①可靠性高
非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。
例如：
由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良造成的故障。
此外，非接触式卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。
②操作方便
由于非接触通讯，读写器在10CM范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。
非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。
③防冲突
非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡。
这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。
④可以适合于多种应用
非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。
非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。
非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。
此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。
接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能运用于不同系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。
⑤加密性能好
非接触式IC卡由IC芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中， 无外露部分。
非接触式IC卡的读写过程，通常由非接触型IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。
非接触型IC卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：
一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。
另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。
由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。
第３章 门禁系统的硬件选择与设计
第3.1节 门禁系统方案设计
门禁控制系统是许多设备的组合，一般有以下部分组成：
入口硬件设备、控制器、许可证、上位机管理系统。
本课题采用非接触式IC卡作为许可证。
3.1.1门禁系统设计要求
门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，在早期，一些经济发达的国家就已经应用于科研、工业、博物馆、酒馆、商场、医疗监护、银行、监狱等，特别是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。
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