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基于rfid门禁控制系统设计与实现本科论文
基于RFID门禁控制系统设计与实现
学生姓名：
学院：
专业：
班级：
学号：
指导教师：
审阅教师：
完成日期：
EasternLiaoningUniversity
独创性说明
作者郑重声明：
本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
___________日期：
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摘要
门禁管理系统，又称为出入口控制系统，属于智能弱电系统中的一种安防系统,它作为一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和现代安全管理措施为一体。
它能够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，礼貌地拒绝不速之客，同时也将有效地保护您的财产不受侵犯。
本文以开发基于射频识别技术的门禁系统为目标，研究了门禁系统中的关键技术及其应用，包括了门禁系统软硬件设计、天线设计、数据安全性分析、系统抗干扰性设计等。
所开发的门禁系统已投入使用并获得好的效果。
主要的研究内容和工作：
1）以MFRC500为核心，结合单片机、液晶屏等设计了一套门禁系统，其中包括了读写器、液晶屏、键盘接口等软硬件的设计，并在现场对该门禁系统进行调试和优化。
２）系统的对MFRC500芯片的操作流程进行研究，并使用相应语言开发了读写器的底层控制软件，并把对卡的不同的操作编程子程序模块，方便系统升级。
关键字：
门禁系统;射频识别技术;MFRC500
BasedonRFIDAccessControlSystemDesignandImplementation
Abstract
Accesscontrolmanagementsystem,whichisalsoknownasaccessdoorcontrolsystem,belongstotheintelligentelfsystemofasecuritysystem,asakindofnewmodernsafetymanagementsystem,settobeautomaticidentificationtechnologyandmodernsafetymanagementmeasuresforanorganicwhole.Itcanautomaticallyrecordpersonnelandoutoftime,limitthepeopleinsideandoutofarea,inandoutoftime,politelyrefusetofreeloaders,alsowilleffectivelyprotectyourpropertyshallnotbeinfringedupon.Thispaperbasedonthedevelopmentofridtechnologyentranceguardsystemasthegoal,theentranceguardsystemofthekeytechnologyanditsapplication,includingentranceguardsystemhardwareandsoftwaredesign,antennadesign,datasecurityanalysis,systemanti-jammingdesign,etc.Thedevelopmentoftheentranceguardsystemhasbeenputintouseandobtaingoodeffect.
Themainresearchcontentsandwork:
1）theMFRC500asthecore,combiningSCM,LCD,suchasdesignasetofentranceguardsystem,includingthewritingandreadingdevice,liquidcrystalscreen,keyboardinterfaceofsoftwareandhardwaredesign,andtotheentranceguardsysteminthedebugandoptimize.
2）thesystemofMFRC500chipoftheprocedure,Andusethecorrespondingdevelopmentofreadingandwritingthelanguageisthebottomcontrolsoftware,andputonthecardofthedifferentoperatingplaitproceduremodule,convenientsystemupgrade.
KeyWords：
EntranceGuardSystem;RFIDTechnology;MFRC500
一、绪论
随着经济水平的不断提高，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，保证安全性，满足用户的需求，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IC卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理系统的新概念，它不仅给管理者提供了安全、快捷、自动化的管理模式，而且也给用户带来了极大的方便。
本文研究的基于RFID的门禁系统就是这样的一个系统。
本章主要介绍射频识别技术和门禁系统的基本概念及其发展概况。
（一）射频识别技术简介
射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。
RFID电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。
RFID射频识别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，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
1．射频识别系统的典型结构
射频识别系统的典型结构见图1.1，主要是由两部分组成：
读写器和射频卡。
读写器同射频卡之间通过无线电方式进行通讯，因此它们都具有无线收发模块。
射频卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特不等，并且可以存储永久性数据和非永久性数据。
永久性数据可以是厂商号码或是射频卡的序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在可重写的存储器内，用来存储用户的相关信息。
射频卡可以根据读写器发出的指令对这些信息进行相应的读写操作。
控制模块负责完成接收、译码及执行读写器的命令。
射频卡分为有源卡与无源卡两种，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的这种特性，因此其尺寸较小且使用寿命较长，应用范围也越来越广泛。
读写器内的控制模块往往具有非常强的处理能力，除了完成控制射频卡工作的任务以外，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与上位机进行通信等功能。
上位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1.1RFID系统典型结构
RFID系统是无源系统，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一定频率的脉冲提供的。
系统的工作过程如下：
1）射频读写模块在一个区域内发射恒定的频率形成电磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。
２）当射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过内部的LC振荡电路后给电容充电，电容电压达到一定值时，可以为其他电路供电。
３）再把信息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、发送等操作。
４）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。
５）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，RS422，RS485，RJ45或无线接口将数据传送到上位机。
读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还可以提供时钟信号，使上位机与下位机的数据达到同步，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外部的电池提供的。
2.RFID同其它自动识别技术的比较
随着计算机技术的不断发展，不断的涌现出多种自动识别技术，目前主要有以下几种：
条码识别技术、磁字符识别技术（MICR）、磁性条识别技术（MBR）、光符识别技术（OCR）机器视觉系统（NIVS）、IC卡识别技术及射频识别技术。
评价一种自动识别技术的优劣，通常有两个重要指标，即误码率和首读率。
误码率是指对一组数据进行识别时，其中可能出现错误字符的统计概率，通常用SER来表示。
首读率是指当对一组数据进行一次性识别时，其中识别成功的概率，通常用FRR来表示。
OCR技术由于首读率不高，逐步被条码技术所取代；磁字符识别技术专用于银行业务中，但是阅读设备较复杂；机器视觉系统通常被用来检查产品的制造业中。
这些技术有的正被淘汰，有的只用于专业系统当中，所以这里不再赘述。
而条码识别技术、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，它们都有各自的优劣及应用的场合。
几种识别技术各有优劣。
条码成本最低，适用于需求量大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，且数据存储量很小。
磁性条的成本也很低，但是容易被伪造，数据量也较小。
IC卡的价格稍微高一些，但是数据存储量较大，并且数据可以加密，安全性好，但是它的触点暴露在外，极易损坏。
而RFID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，适用于实现自动化和实时化的场合。
由于IC卡是完全封装的，不易损坏，不仅适用于较恶劣的环境中，而且还可识别高速运动物体并且同时可以对多个IC卡进行识别，因此操作快捷、简单、方便。
（二）门禁系统简介
在学校、办公室、商店、金融系统、工厂、住宅、图书馆、宾馆等多种场合，为了实现学习、工作和生活的安全性和有效性，需要进行封闭式的管理。
传统的方法是工作人员对出入人员进行信息的采集和录入，这种方法费力并且容易出错，而且管理不严格。
随着技术的不断进步，门禁系统逐渐由原来的钥匙开门，到接触式IC卡的门禁管理，再到现在的非接触式IC卡门禁管理系统。
现在普遍应用的是非接触式IC卡的门禁系统。
所以重点介绍非接触式门禁系统，非接触式门禁系统采用IC卡方式工作，给每个授权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密码等信息，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，系统发出警报并且不开门。
对于工厂等需要考勤的场所，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，而不必担心某一张卡丢失后造成泄漏个人信息等损失。
1．门禁系统的功能
门禁系统的一般功能是：
1）实时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都通过总线方式与控制中心进行实时联系，并且记录所有出入人员的信息，包括人员姓名、进入时间等，如请求进入的人员身份合法，则电锁将打开，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的事件也能实时报警并进行处理。
4）出入人员可以向控制中心申请权限，控制中心核对信息后，该人员方可使用该卡进入。
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，实时汇总数据，并根据需要将数据存储起来。
2．门禁系统的典型构成
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1.2所示）。
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，由它来决定该卡是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否拥有所限定的开门权限。
从而控制电控锁是否打开。
系统的控制主机可以是PC机，系统组网情况下的拓扑结构一般采用总线型拓扑结构，其优点是节点接入方便、轻载时延时小、成本低、可靠性高等。
门禁控制器是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，上位机发下的控制命令、门锁的状态和记录信息都经由门控器来传送。
图1.2典型门禁系统的构成
读写器是用户与系统的一个接口，它必须具有如下的基本功能：
１）非接触式IC卡进入或者退出射频区域的识别与控制。
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，应提供相应加密和解密处理机制。
５）提供相应外部控制信息及与其他设备的信息交换。
因此，读卡器的性能非常重要。
在本论文中的射频读写芯片采用Philip公司的MFRC500，该芯片是Philip公司的最新产品，比以往的射频识别芯片具有更好的性能。
（三）国内外研究现状
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，其产业的分工已进入细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器。
生产控制器的公司就只研究生产控制器及其相应的软件。
再众多的公司中，美国西屋门禁系统是较突出的代表，西屋门禁以其强大的系统功能以及无与伦比的稳定性享誉全球。
在全世界，西屋有300多个代理商以及800多个支持点，分布在76个国家。
西屋的客户来自于世界各地的许多领域，包括工商企业、电信公司、教育部门、政府机构、娱乐事业及军事保卫部门等。
2．国内研究现状
在亚洲和中国，门禁系统分别处于成长期和初始阶段。
大众对门禁系统的了解还只停留在认识教育和试用阶段。
这在门禁系统的设计与制造过程中主要体现为以下几点：
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，主要的做法有两种：
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。
第二种法是，除了核心芯片购买，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，在国内，大多以控制器为核心构建，门控器大多由国外企业研制[4]。
门禁控制器先接收读卡器的信号，在根据信号来决定是否开门。
这些门禁系统大致有以下几个特点：
1）高性能
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，是高性能的代价是高价格。
２）强大的功能
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。
３）可升级性强
由于系统的是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，这要对系统的某一部分升级，再组装即可。
４）成本高
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的。
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，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。
（四）课题研究的目的与内容
本论文主要是面向中小型场合应用。
根据要求及现场的实地情况，设计了一套以STC12C5A32AD为核心，基于MFRC500读写器的门禁系统设计方案。
在产品的选用上则依据产品的质量、性能及价格为第一原则。
在系统设计上采用统一的技术规范及通信格式，将所有的硬件有机地集成一起，其系统与系统之间可相互通信，数据共享，使其构成一个高度自动化的保安管理系统。
同时要考虑到所采用的系统设备不但在日后运行时起到对外防范作用，并且可长时间可靠运行。
本门禁系统的设计初衷是面向校园的中小型环境。
而且只要对单门进行控制，方便以后开发成“一卡通”。
基于以上的考虑，本系统主要以价格低、性能稳定为出发点进行方案设计。
在此基础上对门禁系统的关键技术，如射频识别读写器性能优化、系统数据安全性、系统稳定性等进行研究。
这些技术对以后的射频识别技术的应用以及门禁系统的设计具有一定的参考意义[5]。
二、门禁系统软硬件设计与研究
（一）系统总体方案设计
1．系统设计的原则
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。
门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。
因此，本论文的设计遵循如下原则：
（1）系统的实用性
门禁系统的内容应符合实际要求，不能华而不实。
如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。
因此，系统的实用性是首先应遵循的原则。
（2）系统的实时性
如果门禁系统中任何一个关键部件出现错误或停机将直接影响到整个系统的运作情况，因此，门禁系统各子系统应尽可能属于Non-stop（不停机）状态，以保证系统正常运行。
（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，不易被劫和窃取等方面。
（5）系统可扩展性
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：
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，插上就能运行的程度。
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。
这体现在三个方面：
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。
2．系统方案
本文所介绍的基于MFRC500射频识别系统门禁系统是以射频识别读写器为核心，再增加门锁继电器以及其他一些辅助器件而组成的系统。
系统的工作原理是先由微处理器控制射频识别读写器读取非接触式IC卡的信号，接着，单片机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，如液晶屏等进行操作。
根据方案的选择，下面将从硬件和软件两部份对该系统进行分析与设计[6]。
（二）系统硬件设计与分析
1．射频读卡器微处理器模块的设计
本系统的射频卡读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成。
本系统选取STC12C5A32AD单片机作为读卡器的主控模块。
（1）STC12C5A32D单片机主要性能：
1）高速：
1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍。
2）宽电压：
5.5～3.3V，2.2～3.6V。
3）增加第二复位功能脚。
4）增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM。
5）低功耗设计：
空闲模式。
6）低功耗设计：
掉电模式，可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。
7）工作频率：
0～35MHz，相当于普通8051：
0～420MHz。
8）时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置。
9）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。
10）1280字节片内RAM数据存储器。
11）芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。
12）ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器。
13）8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用。
14）2通道捕获/比较单元也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）。
15）4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器。
16）可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟。
17）高速SPI串行通信端口。
18）全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口。
19）先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。
（2）STC12C5A32D接口电路：
图2.1STC接口电路
2．射频读卡器读写模块设计
读写模块中的关键部件MFRC500是Philips公司生产的用于读写Mifare1非接触式IC卡的专用读写芯片。
系统单片机对读写模块的操作就是对MFRC500进行控制，通过MFRC500实现对Mifare1卡操作。
（1）MFRC500功能概述
MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议MFRC500支持ISO14443A所有的层内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线可达100mm接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路用于ISO14443A兼容的应答器信号数字部分处理ISO14443A帧和错误检测奇偶CRC此外它还支持快速CRYPTO1加密算法用于验证MIFARE系列产品方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器这样给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。
（2）MFRC500特性
1）高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码。
2）缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线。
3）近距离操作（可
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