智能楼宇门禁系统的设计与应用.docx

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智能楼宇门禁系统的设计与应用

RevisedonNovember25,2020

智能楼宇门禁系统的设计与应用

（2012届）

本科毕业设计（论文）资料

题目名称：

智能楼宇门禁系统设计与应用

学院（部）：

电气与信息工程学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

班级：

测控081

学号

指导教师姓名：

职称副教授

最终评定成绩：

湖南工业大学教务处

2012届

本科毕业设计（论文）资料

第一部分毕业论文

（2012届）

本科毕业设计（论文）

学院（部）：

电气与信息工程学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

班级：

测控081

学号

指导教师姓名：

职称副教授

最终评定成绩：

2012年5月

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。

传统的门禁系统采用的机械锁和刷卡认证等方式，要求近距离操作，当使用者的双手被占用时就极不方便，并且容易遗失、复制和被盗用，成本也较高。

射频识别技术的出现弥补了这些不足，并且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技术的高安全性的智能门禁系统，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。

首先分析了门禁系统的国内外发展现状和趋势，阐述了门禁系统当前存在的问题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。

其次，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，详细的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。

最后，详细的分析了系统的硬件和系统的软件设计过程，设计出门禁系统中的RFID卡、门禁控制器和LF发射天线等硬件电路。

RFID卡与门禁系统之间采用无线双工通信方式进行数据传输，实现系统的快速响应。

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

ABSTRACT

Alongwiththesocialeconomyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,radiofrequencyidentificationtechnologyarebecomingmorewidelyusedinvarioussectors,particularlytheidentificationandsecurityindustries,accesscontrolsystemasanimportantelementofintelligentbuildingmoreandmoreaccesscontrolsystemadoptedbymechanicallocks,andcreditcardverification,etc.,requirecloseoperation,whentheconsumer'shandsoccupiedisextremelyinconvenient,andeasilylost,copyandunauthorizeduse,costsarehigher.

Radiofrequencyidentificationtechnologymakesupforthesedeficiencies,andradiofrequencylabelsarenon-contact,readandwritespeed,lowpowerconsumption,thisarticledesignedauseofRFIDtechnologyinhigh-securitysmartaccesscontrolsystem,istheRFIDcertificationquicklyconfirmthatthestaffofthetrueidentityofintelligentaccesscontrolsystem.Whenusersentertheaccesscontrolsystemforthedetectionrange,thesystemwillautomaticallyobtainidentityinformationtoidentifythepersonusingthemisnotalegitimateusers,andrecordentryofinformation,ontheillegalintruderalarmsignal.

Firstly,hasanalyzedtheentranceguardsystemdomesticandforeigndevelopment

presentsituationandthetendencyinthispaper,elaboratedtheentranceguardsystemcurrentexistencequestion,drawsoutthetopictheresearchgoalandthesignificance,proposedbasedontheradiofrequencyrecognitionintelligententranceguardsystemdesignplan.

Secondly,onradiofrequencyidentificationtechnologyaredescribed,fromradiofrequencyidentificationtechnologyconceptsandworksintwoparts.Fromradiofrequencyidentificationsystemofstartgivesfulldetailsofradiofrequencyidentificationsystemworks,themaintechnicalparametersandRFIDkeytechnologiesinvolved.

Finally,detailsaboutthesystem'shardwareandsystemsoftwaredesignproccess,designoutguardsystemRFIDcards,accesscontrollerLFtransmittingantennasandotherhardwarecircuit.RFIDcardandswipeusedbetweenduplexcommunicationmodewirelessdatatransmission,andrealizearapidresponsesystem.OntheSelecthardwarecircuitchips,hardwaredrivers,design,serialcommunicationsprogramssuchasthedesignforspecificdetails.

.

Keywords:

RFID,AccessController,IDCards,IntelligentAccess

ABSTRACT

1绪论

课题研究的背景及意义

课题研究的背景

当今社会科学技术飞速发展，人们都在感受着高科技带来的便利与益处，同时，人们对高科技服务于生活的要求和质量也越来越高。

我国经济的快速发展，城市人口也迅速增加，社会财富不断聚集，因此对建筑的安全防护系统要求也越来越高。

高科技在带给人们生活便利的同时，也带来了一些人运用这些高科技手段进行盗窃和抢劫等违法犯罪行为，造成了人们的人身和财产安全的隐患，人们只有寄希望于更安全、更可靠的安全防范措施，来阻止这些犯罪份子的侵犯。

自古以来，人们一直使用一把普通的锁来保护他们的财产，对进出人员进行控制，这种简单的方法一直沿袭了几千年，这种普通的门锁始终离不开钥匙，而且一把门锁需要一把与之相对应的钥匙，多把锁就需要配多把钥匙。

钥匙多了就繁琐不便于携带，并且容易丢失和被盗，不管其结构多么的合理，材料多么坚固，总可以通过某种非正常的手段打开，因此安全性差。

在科技飞速发展的今天，传统的门锁在很大程度上不能满足人们对安防的需求，为了从根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的基础上开发出来的。

智能门禁系统是智能IC卡与机械锁的有机结合，用智能IC卡代替传统的钥匙，用计算机实行智能化的管理，解决了传统门锁的许多不足。

结合小区、工厂等部门的管理特点，将一部分大门、单元门、一些重要的设备间和会议场所选择安装智能IC卡门禁系统，由计算机或管理人员在中心控制室监控，能够对各个出入口的位置、通行人员以及通行时间、方向等进行实时控制和设定程序控制，从而实现对出入口的智能化控制，已经取得了较好的经济和社会效益。

智能门禁系统已成为发达国家和地区一些重要场合重要的安防系统之一，与传统的门禁安全设备不同，它从被动转变到主动监控和报警控制，发挥了更高的安全防范作用。

所以，智能门禁系统在安防控制设备领域中大显风采。

根据美国当局的调查结果显示:

美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的%，闭路电视监控及其他报警设备销售总额仅占%，另外台湾安防器材市场的年度调查报告中，门禁系统销售增长率为25%，与其他安防设备的增长率相比高出了十几倍。

随着人们对门禁系统的要求不断增加，现在的智能门禁控制系统的应用越来越广泛，人们对智能门禁系统的应用不再仅限于对出入口的单一管制，还要求它不仅可应用于智能大厦或者智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇智能控制等，而且还能与其他联动控制设备等一起构成具有多种控制功能的系统。

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。

目前，智能化已成为自动化领域新技术、新方法和新产品的发展趋势和标志，智能化迅速扩展到仪器、仪表、设备以及整个大系统之中。

它不仅深入到军事，也深入到工业控制、商业、建筑业和农业，包括计算机控制、管理、辅助设计和生产过程自动化等各个领域。

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。

在我国IC卡行业的发展起始于1993年左右，当时对IC卡行业非常重视，高瞻远瞩，国家大力发展我们自己的IC卡事业，建立了“金卡工程”。

已成功开发出了我国自主版权的较大容量的存储卡和逻辑加密卡等，但是对于高端CPU卡和非接触IC智能射频卡的制卡技术和相应的读/写卡设备的技术我们仍处于落后状态，极大的限制了我国IC卡事业的发展，制约着我国“金卡工程”的实施，智能门禁控制系统在我国的使用还处于发展阶段。

正是在这种背景下，本课题提出了基于射频识别的智能门禁控制系统，具体分析和研究了其中的一个重要部分一门禁控制系统。

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。

门禁系统的发展

门禁系统到底是如何发展起来的呢门禁系统，就是对进口和出口人员的控制，也叫做出入口控制系统。

在什么地方放人进出，什么地方拒绝人的出入，以及什么时候需要拉响警报和对出入人员信息的存档，从而保障人身和财产的安全，是早期门禁系统的基本功能。

随着社会的不断发展，门禁系统也逐步的发展进步和智能化。

从人类社会的形成开始，随着人们的不断劳动创造了财富，人们有了属于自己的财物，为了保障自己财物的安全，人们将门用栓子锁起来，因此，人类从找个时候起就对进出门人口的控制，从而产生了早期的门禁系统。

随着人类社会的不断进步，人们的安全防范意识也不断的提高，出现了安全性能越来越高的门锁设备。

传统的门锁都是纯机械装置，无论它的内部结构多么的复杂，始终依赖于一把很简单的钥匙，就可以轻而易举的进出，如果钥匙丢失了门锁也就坏了。

磁卡式的门禁系统弥补了这种功能简单和单一的不足，用磁卡代替原来的钥匙，各方面的性能都得到了改善和提高，但是磁卡的存储空间小，磁卡与读卡器之间容易发生磨损，读卡器容易被人为破坏，这些因素使得磁卡式门禁系统的安全性和可靠性也受到了一定的限制。

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，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。

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。

上个世纪80年代，计算机技术飞速发展和光学扫描的技术革新，使得指纹的提取成为了现实。

在90年代后期，图像设备的引入和发展，以及图像处理的算法为指纹别应用提供了条件，大大促进了生物识别的门禁系统的发展和应用。

生物识别的门禁系统是通过检测人体个人所具有的唯一特征的方法来进行出入的控制，研究表明，人的指纹、掌纹、面部特征、声音、视网膜、虹膜、骨骼都具有唯一性和稳定性的特点，即每个人的这些特点与他人不同而且终身不会发生变化，因此可以用这些特征作为判别人员身份的依据。

从而产生了基于这些特点的指纹识别、声音识别、脸部识别等生物识别的技术，指纹识别技术是生物识别技术的热点。

由于人体的这些生物特征具有可靠性和唯一性，终身不变，不会遗失和复制，其他的介质取代不了的优点，所以，基于生物识别的门禁系统从识别的方式来讲安全性高，可靠性高，而且成本高，对环境要求也高，对用户的要求也高，使用不方便。

门禁系统的国内外现状

门禁控制系统是跟随着自动识别技术发展起来的，拥有很大的市场，有很多公司都从事门禁控制系统的生产和开发。

在国外的门禁系统有很多品牌，主要有美国的休斯（HID）、摩托罗拉（MOTOROLA）、英国的集宝，以色列的SERVANT等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。

目前，国内外研究和开发的门禁控制系统主要是感应式门禁系统和基于生物识别技术的门禁控制系统。

在基于生物识别技术的门禁控制系统中主要是以指纹识别为应用的门禁系统使用最广泛。

随着计算机技术的发展、图像处理和自动识别技术的提高以及大规模的集成电路的发展，指纹识别系统的体积越来越小，价格也不断的降低，可以广泛应用于门禁系统和其他诸多领域。

无论是感应式的门禁系统还是基于生物识别技术的门禁系统，他们的技术支撑射频识别技术和生物识别技术都比较成熟。

门禁系统作为一种安全保护的产品，主要竞争是在其产品的安全性和可靠性以及性价比上。

在一般人看来，基于生物识别的门禁系统都很安全，其实这是一个误解。

虽然人体的生物特征是独一无二的，具有唯一性、可靠性和不可替代等优势，从识别的方式上来看确实是非常安全。

但是，门禁系统作为一个整体，其整体的安全性不仅包括识别方式的安全，还包括控制系统的安全、系统软件的安全、通信方式的安全以及电源的安全，任何一个部分的安全性能都可以影响到整个系统的安全。

指纹式门禁系统在安装时需要在门外安装控制器和指纹识别仪，这样一来门锁的控制线就会露在门外，容易被人打开。

虽然指纹式门禁系统的识别方式安全性很高，但是系统的整体安全性还是较差。

目前，国外开发使用的门禁系统安全性较高，但是价格也相对较高，智能卡的门禁控制系统的价格从4千到3万不等。

国内生产的感应式门禁系统和指纹识别的门禁系统价格与国外同类产品相比要低大约10%~50%，但是系统的可靠性相对会差一点。

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（交变磁场或电磁场）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。

从信息传递的角度来看，在高频段射频识别技术的耦合模型是基于雷达空间探测目标，即雷达首先向空间发射电磁波信号，当遇到目标后该电磁波会携带目标的相关信息返回给雷达。

在低频段射频识别技术耦合模型是基于变压器，即初级线圈与次级线圈通过电磁感应的方式来传递信号和能量。

射频识别技术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的影响。

RFID的电磁学原理

RFID是一种简单的无线系统，射频识别系统由一个读写器和多个电子标签组成，读写器非接触式的对电子标签进行自动识别，通过射频信号自动识别标签并从电子标签那获取相关的数据信息，非接触的自动识别采用的射频信号，即无线电磁波的传输，所以了解相关的电磁学原理和电磁波的传播规律，可以更好的理解和使用RFID系统。

（1）天线场的概念

读写器与射频标签之间是通过无线电波传输信息的，它们各自的天线构建起了两者之间的非接触信息通道，由电磁传播的基本规律可知，天线周围的场区特性完全的决定了这种非接触的空间信息传播的性能。

当射频信号被加载到发射天线上后，在天线紧邻的空间中会产生一个辐射场，在辐射场之外，还有一个非辐射场。

辐射场与离天线距离的高次幂成反比，当离开天线的距离逐渐增大时一，辐射场迅速减小。

在辐射场的某个区域，电抗常常占有优势，所以将这个区域称为电抗近场区，它的区域范围大约为一个波长的距离。

离开无功近场区是辐射场区，根据与天线距离的远近不同，可以将辐射场区分为辐射近场区和远场区。

因此根据距离天线远近的不同，周围的场区也会呈现出不同的性质。

1）无功近场区，在无功近场区这个区域中，电抗性的储能场处于支配地位，通常将距离天线λ/2π的场区取为无功近场区。

从物理学的概念上来讲，无功近场区其中的电场与磁场是相互转换的，与变压器中的磁场和电场之间相互的转换相类似。

无功近场区中若存在其他的金属物体，它们会对储能场产生影响，这些金属物体可以看成是组合天线的一部分，可以将这些金属物体与原来的天线看着新组成的天线。

2）辐射近场区，无功近场区之外就是辐射近场区，该区域的电磁场已经脱离了天线，不再受天线的束缚，以电磁波的辐射形式进入空间。

辐射场区可以根据离开天线的远近不同分为辐射近场区和远场区。

对于一般的天线来说辐射近场区也称为菲涅尔区，在该区域辐射场占优势。

3）辐射远场区，又叫做夫朗荷费区，该辐射远场区中辐射的角度分布和天线的距离无关，从严格的意义上说，远场区分布在离天线无穷远的地方。

实际上，当达到一定的距离时，辐射场的角度分布就不再受天线的距离的影响，与无穷远时的辐射的角度分布误差很小，在允许的范围之内时，就把该点当作辐射远场区的起点。

（2）天线的方向性图

天线的方向性图是指该辐射区域中辐射场的角度分布，因而远场区是天线辐射场区中最重要的一个，辐射近场区与远场区的分界距离R为

R=2D2/λ

式中，D为天线的直径，λ为波长。

对于电子标签的射频识别系统来说，标签的大小基本上是固定的且一般很小，因此标签尺寸受到限制，同时标签的尺寸还受到读写器天线的限制，对于射频识别系统来说基本是都是采用L/λ=1或L/λ<1的天线结构模式。

因而根据选择的天线结构模式可以计算出天线周围的场区分布界限和范围。

如表所示是根据常用的RFID波长计算出系统的波长和场区的距离估算。

表不同频率的波长场区距离估算值

频率f

波长λ/m

R1=λ/2π

R2=2D2/λ

D=

<135KHz

>2222

>353m

（>353m）

433MHz

11cm

（>11cm）

915MHz

当系统的工作频率一定时，由天线的结构模式可知，场区边界和范围是由电磁波的波长决定的，无功近场区的边界要满足小于辐射远场区内界，场区的分布与波长和天线有关，当天线的大小与波长相当或者比波长大时，其周围场区的分布大致满足辐射近场的区域在无功近场区和辐射远场区之间。

根据天线周围能量辐射的方式不同将天线周围划分为三个场区，场区的划分可以表示天线周围场区的分布规律和特点，在电抗近场区的能量的辐射是以磁场和电场相互转换的形式向外传播的，在辐射场中的能量的传播方式是以电磁波完成的;另外场区的划分可以表示场强的分布情况，场强的分布与离天线的距离成反比，离天线越近场强越强。

RFID系统的分类

RFID系统可以根据系统完成的功能和系统特性分为不同的类型。

根据RFID系统完成的功能不同，可以将RFID系统分为三种类型，即EAS系统、便携式的数据采集系统和物流控制系统。

（1）EAS系统，大部分的射频标签一般只使用在图书馆图书和商店商品上，这种电子标签一般被称为EAS，即电子物品监视器。

图书馆、商店和数据中心等地方是这种技术典型的应用场合，当未被授权的物品从这些地方的出入口非法出入时，EAS系统会拉响警报。

EAS系统一般由电子传感器、去活化装置和监视器三个部分组成。

附着在目标商品和对象上的射频标签，也叫电子传感器;RFID标签去活化装置，对电子标签授权使商品能够正常出入;监视器，对出入口一定区域进行监视。

电子物品监视器的工作原理是，在监视器的一定监视空间内，发射器向接收器发送一定的频率的信号，在商场和图书馆的出入口安装接