基于射频识别技术的门禁系统完整版.docx

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基于射频识别技术的门禁系统完整版

摘要

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。

为此，本文研究一种基于射频识别（RadioFrequenceIdentification：

RFID）技术的门禁系统。

（1）研究了基于射频识别技术的门禁系统的总体设计，设计了射频IC读卡器的电路原理图，给出了PCB板。

读卡器主要由射频天线、读卡模块、RS485通信接口及单片机控制系统组成，能读写Philips公司的Mifare非接触式智能射频卡，读卡距离约10cm。

当没有卡进入读卡能量范围时，系统显示时钟，当有卡进入时则读卡内数据并将卡号信息显示在液晶显示器上。

（2）深入研究RFID天线的EMC过滤器、接收电路以及天线匹配电路等构成，结合本设计采用了线圈天线，并从品质因素Q和调谐频率两方面设计读写器天线，设计优化了天线耦合电路。

（3）针对设备组网应用要求，门禁终端通信采用RS485总线，同时结合门禁读卡器研究了RS485的网络拓扑结构，通过RS485接口与PC机组成通信网络系统。

读卡器平时可独立工作，PC机会每隔一定时间访问读卡器，用PC机上的时钟统一校准读卡器上的时钟，并读取存储器内的读卡数据，以便读卡器中的数据得到及时处理。

（4）设计单片机的包看门狗、液晶显示、数据存储和实时时钟等在内的外围模块电路，采用串口设计如SPI、I2C等，从而节约了单片机的I/O接口。

同时结合门禁系统设计门禁控制电路，完成设备的选材。

（5）根据射频识别门禁系统总体设计要求，采用模块化软件设计方法，根据MFRC500的特性，系统地对MFRC500芯片的操作流程进行研究，设计主程序的流程图和各个模块子程序，使用C51语言开发了读写器的底层控制软件，并完成程序的调试，证明结果满足设计要求。

射频识别以其方便快捷成为业界瞩目的焦点，而中国正在成为射频识别标签生产最被看好的生产基地。

将射频识别应用到门禁系统，具有广泛的应用前景，本文基于这一思想设计了小型门禁系统的底层模块，同时还有待于进一步研究扩展，比如利用Internet接入取代RS485联网方式，扩大系统的规模。

关键词：

门禁系统；射频识别；MFRC500；读卡器；串口通信

Abstract

Tomeettheneedsoftheinformationage,ensuringsecurityoftheinternalarchitectureandtheusersdifferentkindsofneeds,entranceguardsystemcomesoutGatheredwithcomputertechnology,electronictechnology,mechanicaltechnology,magnetic-electrictechnologyandradiofrequencyidentificationtechnology,AccessControlSystemmakescardandlocksget"integritydialogue"function.Thatsmartcardstocontroltheopenorcloseofthedoors,introducesanewmanagementconcept,whichnotonlymanagercanprovideasafe,faster,moreautomatedmanagementstyle,butalsooffertheusers,agreatconvenience.Inthispaper,weresearchonthedesignofradiofrequencyidentificationAccessControlSystem.

（1）ThispaperintroducesthedesignoftheAccessControlnetworksystembasedonradiofrequencyidentificationICcard,whichanalysisesthedesignofhardwaredetailedly,givesouttheelectriccircuitprinciplediagramofmakingcontactlessICcardProximityCouplingDevice（PCD）.ThePCDisconsistedofRFantenna,read/writemodule,RS485communicationinterfaceandMCU,whichcanread/writetheMifarecontactlessSmartCardofPhilipscompany,thedistanceofreadingcardis10cmroughly.ThesystemwilldisplaytheclockwhenthereisnocardenteredintothescopeofRFenergy；whenthecardenteredintothat,thereadingcarddatawillbedisplayed.

（2）DeeplystudedtheRFIDantennaEMCfilters,receivecircuitandantennamatchingcircuits,etc.,andconsideringthespecialdesign,weusethecoilantenna,optimizethecouplingcircuitbyraisethequalityfactorQandthefrequencytuning.

（3）RegardtheApplicationfornetworkequipmentrequirements,AccessControlTerminalusingRS485communications,whilecombiningAccessControlRS485readeronthenetworktopology,throughtheRS485interfaceandPCcomponentcommunicationnetworksystem.Readerpeacetimecanworkindependently,PCeveryopportunitytovisitsometimereader,withPCclockreunificationontheclockcalibrationreader,andthememorycardreadertoreaddatatothereadertoobtaintimelydataprocessing.

（4）TheDesignincludingwatchdogs,LCD,datastorageandreal-timeclockmodule,andotherperipheralcircuits,usingserialdesignsuchasSPI,I2C,thussavingtheMCU'sI/Ointerface.AccessControlSystemDesignatthesametimecombiningtheaccesscontrolcircuit,completedtheequipmentselection.

（5）TomeettheRadioFrequencyIdentificationAccessControlSystemdesignrequirements,wedesignbymodularsoftwaremethod.AccordingtothecharacteristicsofMFRC500andthesystematicresearchontheoperationofMFRC500chipprocess,designtheflowchartofthemainprogrammodulessubroutine,useC51-languagedevelopmentthebottomofthereadercontrolsoftware,andcompletedthedebuggingprocessthatresultsmeetthedesignrequirements.

RFIDwithconvenientandefficientbecomesthefocusofattentionoftheindustry,andChinaisbeinganRFIDtagproductionofthemostpromisingproductionbase.

ApplicatedRadiofrequencyidentificationtotheAccessControlSystem,hasbroadapplicationprospects.Basedonthisthinking,thispapergivesouttherealizationofthespecificdesign,butalsotobefurtherstudyontheexpansion,suchastheuseofInternetaccesstoreplaceRS485interconnection,expandingthesizeofthesystem.

Keywods：

AccessControlSystem；RadioFrequencyIdentification；MFRC500；ProximityCouplingDevice；SerialCommunication.

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