基于射频识别技术的门禁系统的设计方案修订版.docx
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基于射频识别技术的门禁系统的设计方案修订版
基于射频识别技术的门禁系统的设计方案
1.2国内外研究发展现状2
1.3本文主要研究内容3
第2章门禁系统的技术基础5
2.1射频识别技术5
2.1.1射频识别技术原理5
2.1.2RFID天线6
2.1.3射频识别系统的典型结构8
2.1.4RFID同其它自动识别技术的比较9
2.2门禁系统结构原理10
2.3密码技术12
第3章基于射频识别的门禁系统总体设计16
3.1系统总体方案设计16
3.1.1系统设计的基本要求16
3.1.2系统方案17
3.2系统硬件模块分析17
3.2.1射频读写模块分析17
3.2.2其他部分硬件分析18
3.3射频读写模块设计19
3.4直接匹配天线20
3.4.1EMC电路20
3.4.2接收电路20
3.4.3直接匹配天线的天线匹配电路21
3.5RS485通讯模块25
3.5.1RS485接口26
3.5.2RS485网络拓扑结构27
3.6外围接口电路29
3.6.1看门狗电路29
3.6.2液晶模块31
3.7数据存储的硬件设计35
3.7.1数据存储器的接口36
3.7.2I2C总线协议36
3.8实时时钟的硬件设计37
3.8.1实时时钟的接口37
3.8.2时钟数据传输的控制38
3.8.3时钟数据传送方式38
3.9非接触式IC卡的选择39
3.10门禁控制电路40
第4章基于射频识别的门禁系统软件设计42
4.1系统软件分析与设计42
4.1.1软件设计方法与设计语言选择42
4.1.2系统总体程序流程设计42
4.2系统软件模块化设计42
4.2.1射频控制模块43
4.2.2看门狗模块46
4.2.3数据存储模块46
4.2.4通讯模块48
4.3模块子程序编译调试54
4.4实验样机56
总结与展望58
参考文献60
附录A攻读学位期间发表的论文63
附录B攻读学位期间参加的科研项目64
附录C部分电路图65
附录D模块程序68
致谢85
第1章绪论
1.1课题背景及意义
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]。
门禁系统又称门禁出入口保安自动化管理系统。
智能建筑通过对四个基本元素，即结构、系统、服务和管理进行最优化的考虑，从而为用户提供一个高效和高经济效益的工作环境。
它在功能上实现了通讯自动化（CA）、办公自动化（OA）和楼宇自动化（BA），通过综合配置在建筑内的各功能子系统，以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公自动化系统、楼宇自动化系统的综合管理。
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[2]。
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[2]。
1.2国内外研究发展现状
1．国外研究现状
目前，欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。
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]。
国外对IC卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但在非接触式IC卡方面的研究使用也只是近几年的事。
非接触式IC卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，但真正形成大批量生产的厂家只有美国；德国、英国次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次。
当今世界上非接触式IC卡主流产品是Philips公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443TypeA标准。
欧洲一些IC卡及读卡器制造商大都以Mifare技术为标准发展自己的IC卡事业[3]。
Philips公司的MifareIC卡系列产品有三类：
MifareStandard,Mifarelight,MifarePLUS（第一代）和MifarePRO（第二代）。
最近又推出一种新型Mifare卡,即Mifareultralight非接触式IC卡，简称为MFOICUl,有512字节E2PROM,专用于车票系统,MFO卡最大的特点是交易时间只有31.4ms，比其它Mifare卡要短得多。
此外还有一种MF3ICD40卡，密码机制更加完善，不是按块而是按文件操作，波特率高达106424Kbps，有防撕扯功能、值文件功能等28种用途[4]。
ATMEL公司生产的Temic非接触式IC卡E5550芯片是一种ID（身份）识别芯片，容量为264位E2PROM，采用125KHz射频频率，是一种低频卡，操作距离5-l0cm，相应的读写基站芯片为U2270B，此芯片在动物身份识别等方面得到了应用。
瑞士EM公司的H4001非接触IC卡，容量为64位E2PROM，采用125KHz射频频率，也是低频卡，其读写芯片为P4095。
Legic射频卡容量为256字节E2PROM，读写距离10cm并己用于公交系统。
美国德州仪器公司（TI公司）的ID卡是一种低频只读卡，内部有8字节（64位）ID号码，已经应用在门禁考勤系统[20]。
2．国内研究现状
（1）目前，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：
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；
对国外已有的系统进行仿造；
产品单一、开发成本较高。
（2）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，主要的做法有两种，第一种是购买国外的门禁系统配件，如读写器、门控器等，再对其进行二次软硬件的设计。
这种门禁系统的性能很好，能满足许多安全要求很高的场所，但是价格很高。
第二种方法是，除了核心芯片购外，其余部件都是对国外优质产品进行研制。
这种方式比较灵活，可以随时根据客户的要求增加门禁系统的功能，且价格也比较便宜。
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。
由于其门禁系统的部件大多采用国外先进集成电子工艺和原材料制造，因此其性能很高。
但是高性能的代价是高价格。
这些门禁系统大多可以同时控制多个门，可以实现多门监控机制；对于很多企业，这些门禁系统同其他系统，如考勤系统集成，被做成企业“一卡通”系统，即员工可以凭一张卡来使用企业的多项非接触式IC项目；可管理的人员多，像美国西屋门禁最多可同时管理一个10万人的企业。
由于系统是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，只要对系统的某一部分升级，再组装即可。
由于注重系统的高性能和广泛的适用性，这些门禁系统大多价格较高，这是国内很多中小型厂家不能接受。
但是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。
比如在天线设计时要么就是参照国外公司的资料，要么就是通过实验对天线的参数进行修改[24]，从而得到较好的效果，很少把这部分的研究上升到理论的高度。
因此对关于门禁系统的理论进行研究非常需要。
1.3本文主要研究内容
本文针对国内目前的市场需求情况，研发了一套基于RFID的门禁系统，论文在探讨了基于射频识别技术的门禁系统的发展现状和技术基础上，研究射频天线的设计和应用RS485的网络拓扑结构，设计开发系统的硬件设计和软件设计，给出制作射频识别IC读卡器的电路原理图和PCB板，设计主程序流程图和模块子程序，并进行联机调试，完成实验样机的研制工作。
本文的结构安排：
第1章绪论。
论述课题背景及其意义，探讨目前国内外研究现状和采用的技术；
第2章门禁系统的技术基础。
主要论述射频识别技术结构特点和门禁系统的功能结构以及有关IC卡的密码技术；
第3章基于射频识别的门禁系统总体方案与硬件模块设计，主要论述射频读写模块、天线模块、通讯模块、看门狗、液晶、存储、实时时钟模块的设计；
第4章基于射频识别的门禁系统软件设计。
给出了总体程序流程图和模块化设计，并作了子程序的编译，在附录给出具体的程序；
总结与展望。
客观的评价了本论文所作的工作和设计方案，以及有待改进的地方。
第2章门禁系统的技术基础
2.1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。
另外不象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[1][2]。
2.1.1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，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。
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。
2.1.2RFID天线
RFID天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3种基本形式的天线。
其中，小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段。
而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线，它们工作在高频及微波频段。
这几种类型天线的工作原理是不相同的。
1、线圈天线
当RFID天线进入读写器产生的交变磁场中，RFID天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。
由RFID天线形成的谐振回路见图2.2，它包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2，其谐振频率为：
f=1/2π
，（式中C为Cp和C2的并联等效电容）。
RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。
常用的ID21型非接触式IC卡的外观为一小型的塑料卡（85.72mm×54.03mm×0.76mm），天线线圈谐振工作频率通常为13.56MHz。
目前已研发出线圈天线面积最小为0.4mm×0.4mm的短距离RFID应用系统。
某些应用要求RFID天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识别的RFID。
线圈外形即面积的减小，RFID与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用，通常在RFID的天线线圈内部插入具有高导磁率μ的铁氧体材料，以增大互感量，从而补偿线圈横截面减小的问题。
图2.2应答器等效电路图
2、微带贴片天线
微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的，见图2.3。
根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状。
通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长（λ/2）的导体长度方向变化，则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。
因此，一般适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统中。
为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题，人们还提出了各种不同的微带缝隙天线，如设计了一种工作在24GHz的单缝隙天线和5.9GHz的双缝隙天线，其辐射波为线极化波；如开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线，它是可以采用左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的‘1’和‘0’进行编码。
图2.3微带贴片天线
3、偶极子天线
由于RFID应用系统中的远距离耦合，需要用的是偶极子天线（又称对称振子天线）。
偶极子天线及其演化形式见图2.4，其中偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。
利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程：
Eθ=
=
式中Iz为沿振子臂分布的电流，α为相位常数，r是振子中点到观察点的距离，θ为振子轴到r的夹角，l为单个振子臂的长度。
同样，也可以得到天线的输入
图2.4偶极子天线
（a）偶极子天线；（b）折合振子天线；（c）变形偶极子天线
阻抗、输入回波损耗S11、阻抗带宽和天线增益等等特性参数。
当单个振子臂的长度L=λ/4时（半波振子），输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。
在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l为λ/4的整数倍，如工作频率为2.45GHz的半波偶极子天线,其长度约为6cm。
当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图2.4（b）的折合振子。
2.1.3射频识别系统的典型结构
射频识别系统的典型结构见图2.5，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2.5RFID系统典型结构
图2.6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[11-13]。
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[14-18]。
图2.6射频识别系统原理图
2.1.4RFID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。
评价一种自动识别技术，通常有两个重要指标，即首读率和误码率。
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。
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[5][7][9]。
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[1-4]。
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
在工厂、学校、办公室、商店、金融系统、军事系统、住宅、宾馆等多种场合，为了学习、工作、生活的安全和有效，需要进行封闭式管理。
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，门禁系统逐渐由原来的钥匙开门，到IC卡的门禁管理，最后到现在的非接触式IC卡门禁系统。
非接触式门禁系统采用个人识别卡方式工作。
给每个有权进入的人发一张个人识别卡，相当于一把钥匙。
系统根据该卡的卡号和当前时间等信息，判断该卡持有人是否可以进出，如果可以，则系统自动开门，否则，不开门。
对于工厂、机关等需要考勤的场所，门禁系统还可以记录每个职工是否按时上下班。
门禁系统的另一优点是可以随时增加和删除某一卡，而不必担心某一卡丢失后造成什么损失[8]。
门禁系统的功能如下：
（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（即经过控制中心授权），电锁将打开；否则电锁不会开启。
（3）发生火灾时，各远端智能控制器能同时全局联动，打开所有的门以紧急疏散人群并发出报警信号，控制器对于非法闯入事件也能实时报警并处理。
（4）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。
（5）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。
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/关门、识别卡等构成，典型门禁系统构成见图2.7。
门禁控制器是门禁系统的核心。
如果将读卡器比做系统的眼睛，将电控锁比作系统的手，那么门禁控制器就是系统的大脑，由它来决定某一张是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段和开门权限，从而控制电控锁是否打开。
系统的控制主机可以是单片机也可以是PC机，系统组网情况下的拓扑结构一般采用总线结构，其优点是节点接入方便、成本低、轻载时延时小、可靠性高等[11][12]。
图2.7典型门禁系统的构成
门禁控制器是是整个系统的核心
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