智慧校园门禁系统的设计.docx

1、智慧校园门禁系统的设计 智慧校园系统-门禁系统的设计 1 绪论1.1 选题的背景及意义1.1.1 背景一方面，传统的门禁需要机械锁头和钥匙配对使用，即每一把锁必须配对一把钥匙，这就需要人们随身携带大量的钥匙，同时机械锁可以通过一定手段去打开，由于一些机械误差以及摩擦因素存在，其安全性和耐用性大打折扣，市面需要一种较为成熟的门禁系统设备去迎合消费者的需求。另一方面，当今智能技术的高速发展，社会同时也在不断进步的同时，新时代的人们对于自身个人信息和财产的安全问题越来越重视，而对于本文所研究的门禁系统在这种应性需求的刺激下不断进化，利用新技术进行升级的智能化门禁系统的出现便是通往安全性的智能化管理的

2、不二法门。门禁系统主要由机械设计、电子电路、自动控制系统组成，可以适用于安全性要求很高的场所，能够更好的为人们提供安全保障。基于RFID技术，即无线射频识别技术作为基础的门禁系统，其识别设备与电子卡之间的信息交流方式为射频感应式，效率高、低能耗，理论上可以识别无数张标签的信息，可以实现一个机器对应一个群体，系统的识别算法也可以识别出其他非法操作卡，是属于自动识别技术中的一种无线射频识别技术4。1.1.2 意义在一些科技发达的国家，无线射频识别（RFID）技术已经被广泛应用在科学研究院、学校、美术院、旅馆、商厦、医院、企业还有其他生活场所等，是现如今安全防范技术重点研究和开发的主要对象6。而基于

3、RFID的门禁系统采用的是智能化管理和控制，可以实时采集人员出入信息，同时进行信息监测；而且根据安全等级不同，设置不同的管理人员权限，采集到的信息还可以与控制中心进行记录操作，在特殊事件下，可以提供有效的证据。这表明了基于RFID的门禁系统在很大程度取代了传统的门禁，在弥补传统门禁的不足之处的同时还能发展其他辅助功能7。就此本文根据门禁系统发展的趋势，顺应需求，以基于RFID的门禁系统为选题，对使用范围颇广的无线射频识别（RFID）技术作为理论基础进行具体分析和研究，进行以射频识别技术为主要技术作为基础，门禁系统的技术研究并制作方案设计8。相信通过对智能化门禁系统的学习和研究，能够深入的了解R

4、FID技术。1.2 选题的科研状况和发展分析 1.2.1 国外研究现状我们不妨从历史的维度来看，国外对于RFID技术的研发是最早最迅速的，如美国、英国、日本、南非等国家，它们都有自己一套非常成熟的RFID系统，而且其RFID系统都能应用在各个领域，近几年发展迅猛，其RFID系统也在不断的优化，一直在向标准化转变，在众多的国家之中，美国的硅谷是RFID系统最前头的领军者，紧随之后的则是一些欧洲国家，在亚洲地区，日本也是密切重视并致力于研究RFID技术的功能扩展。若从全球化产业方面观析，其中欧美的市场已经步入成熟阶段，像德国的SIEMENS,荷兰的PHILIPS；而SYMBOL公司则是供给着RFI

5、D的天线，读写器以及芯片等设备；科技发达的日本把这项技术大量的与人民生活结合，且致力于RFID技术的功能扩展，基于上述条件即各个国家对于各个结构的拆分与加工，性能上的研究以及功能扩展性领域的深入，给实际的工程运用带来可靠的软硬件，这些软硬件是可以实现很多便利的9。1.2.2 中国的研究现状相对于欧美等这些发达国家，我国RFID产业发展得比较缓慢。但随着新兴经济和科技的不断发展，RFID技术在我国很多方面得到了应用，比如我们每个人都持有的身份证就是采用了这样的技术，还有搭公车地铁的票、工作打卡等方面的广泛应用。国内市场上几家涉及较早的企业，比如以华虹、申博为代表的芯片设计公司，以及华本、芯微研发

6、的指纹识别芯片，表明了国内对RFID技术已经正在从研究转变为自主研发。但是对于RFID门禁系统来说，国内技术仍有两方面不足：第一，RFID标准没有进行统一规范化，各个公司的通信协议都不同，无法用同一种算法去处理，必须卡与机器相匹配，所以使得数据交换与协助工作的进行相当困难；第二，核心技术处于空白期，总控制器可以说是一套完整的门禁系统中至关重要的核心技术，但是总控制器的研发在国内还属于摸索状态，我们国家只能拿国外品牌大商生产研发的产品进行对比研究再仿制。针对这些问题，我国未来的RFID标准要实现标准化，在与国际接轨的同时也要保证不抄袭国外标准，仍需下很大的苦功7。1.2.3 发展趋势智能化门禁系

7、统问世后，使得传统的门禁系统的缺点慢慢暴露出来，人们也更倾向跟随时代的步伐选择更好的智能化产品。从市场深入调研的数据7，基于RFID技术的门禁系统在国内的消费市场上会逐渐成为这类产品的主流，目前已经占据了约九成的市场份额，其中IC卡、读卡模块占据了非接触式IC卡门禁系统市场销售份额的大约30%，最突出的就是飞利浦公司的MIFARE卡，是目前国内RFID产品市场上的领头产品。尤其是近几年，国内加快了对门禁控制系统的研发进度，电子IC卡的年售出量在不断上涨，目前中国正逐步成为推进世界上电子IC卡发展前行的中坚力量，取代了韩国并成为亚洲IC卡使用人数最大的国家。而门禁系统的革新进步使得在功能开发和安

8、全性上开始寻求对各领域需求的满足，各大厂商致力于开拓其门禁系统产品的附加价值，如服务记录访问、视频识别、监控系统、电子巡查等。最为熟知技术，例如用指纹、眼睛和人脸这些生物识别技术类型的产品，它们都是以人体部位的特征作为数据载体和手段，使得用户数据的无法拷贝性和唯一性决定了其是最安全的身份识别方法，其实唯一性不能百分百保证，比如双胞胎难以区分识别，这就要求算法的技术需要更上一层楼，而且可能会造成用户的个人隐私泄露，且市售价较高，这些种种的缺陷使得这项技术难以深入消费者的内心，而且我们会发现日常的生活是很少发现和用到的。但是随着许多革新技术的出现，射频电子卡以及广域型识别设备的研发的新进展让门禁系

9、统在既定主要功能运行的基础上，还可以额外扩展其他方面的特性需求，因此在功能多样化和安全高要求化的条件下能够持续发展，使得全球越来越关注，不断地开发和推广RFID技术及门禁系统的使用。足以说明21世纪里最具发展前景的信息技术中，RFID技术占据了一席之地。1.3 设计任务第一，该智能门禁系统可以通过刷卡的方式开门。第二，在进行刷卡的情况下，有效卡片可以打开门锁，并且在显示屏显示卡片持有人信息；另一方面，倘若是智能门禁系统识别到该信号并标记、显示为无效卡片，不仅不能开门， 还能发出报警信号。第三，密码可以进行设定修改、权限可以设定。1.4 主要研究问题和研究路线本文鉴于当前智能门禁系统在国内的发展

10、行情，考虑RFID门禁系统的适用范畴以及是否会受到其他方面因素限制使用，着手对RFID门禁系统的发展状况，深入探究主要出现的问题，对所有设备和整体之间的电路连接进行设计，系统的硬件部分的电路绘制，加上软件部分的编程，以及门禁系统的总电路原理图、成品制作，还有主程序流程图和各个子程序模块编写，最后进行成品的联机调试。1.5 本章小结本章对毕业设计的选题和对于使用的主要技术发展的现状进行一个简单了解；明确毕业设计的主要任务、研究问题和研究路线，对论文的主体构成和各个章节进行说明。2 RFID门禁系统的基本工作概论2.1 RFID通信2.1.1 RFID技术RFID的英文别称是Radio Frequ

11、ency Identification的缩写，就是我们常说的无线射频标识技术, 追根到底，其实是上个世纪人类发明的一种无需接触即可实现双向通信的先进技术，再由读写器对标签信息进行信息读取,以此进行数据置换达到识别的目的技术。现实生活中其实大多采用微波，主要特点在于它是非接触式的，无需外围电路既可以与系统通信，可以把保存的数据传送个系统，同时系统也可以对其内部信息进行修改，同时数据交互都是毫秒级别的，可以快速进行识别做出判断。综合了电磁、射频、加密等等技术，在现在的科技上发展相当迅速7。2.1.2 RFID技术的类型和工作方式分类 RFID技术的类型按照通信频率它可以分为高频和低频，低频一般应用

12、在存储数据容量比较小的系统，适用于距离比较近的场所，而且频率在30MHz这种成本相对较低，所以在很多系统上多采用它；那么对于运动的物体，一般采用高频大于4000MHz，这种造价会相对高一些，主要运用在运动的物体感应，所以它的感应距离也会比低频的远很多。基于RFID技术的射频卡可分为有源系统和无源系统，区别在于卡内是否安装电池。有源系统中的读写器和电子射频卡都装有电源，因此读写距离比较远，但是使用寿限取决于电池的容量；无源系统中读写器有电源而电子射频卡内无电源，因此电子射频卡要进入到读写器的射频场，需要近距离感应激活电子卡才能工作。同有源系统相比，无源系统对工作的环境要求不高并且使用寿命较长，所

13、以我们基于射频卡的系统优势选择无源系统进行该设计。读写器识别主要有远距离识别，近距离识别。在门禁系统中，识别方式需要进行仔细分析考虑外界干扰，要考虑到设备使用场所的人流密度，安全性以及识别错误率等等，这些因素会对整套门禁系统的安全化和智能化的设计有很大影响，同时也是评价该门禁系统是否设计合格的标准之一。 所以根据不同的分类标准，实际工程运用之中大概按以下四种方法去分类，有源远距离识别方式、无源远距离识别方式、无源远距离识别和近距离人工刷卡方式。2.1.3 系统的基本工作原理当RFID卡到达读写器的接收领域后，利用读写器发出的射出频率脉冲来提供RFID卡的能量。系统收到读写器发出的射出频率信号后

14、，RFID卡借由获得的能量将卡片中的信息完整发送出去，继而读写器进行信息读取操作，稍后信息会返至总处理器执行相关数据的解读处理，最后完成门禁系统的管理工作。2.1.4 RFID系统的结构一套RFID识别系统有六部分来组成，大致分为中央处理器（CPU）、中央信息系统、发送器、接收器、电子标签、天线等，其结构框架如图2.1所示。图2.1 RFID识别系统整体架构电子标签是存放数据和用于信息交换的电子器件，是系统的核心，可以读写数据，同时对数据的存储加密，防止信息被非法获取。读写器可以对标签的信息写入或者读取的电子设备，由传送模块、接收天线、控制模块及接口电路模块等组成。天线是作用是电子标签和读写器

15、工作时利用天线能让射频信号在两者间正常接收。另外，当其进入感应场后，电子标签、识别设备在区域内进行数据交换，CPU则是负责数据的信息交互和统筹管理。在感应范围之外，无源系统因为没有能量无法工作，需要在感应距离内才能实现数据交换。如果换成有源系统的话，即内部含有电池，则电子标签的工作能量和工作寿命由电池容量大小来决定，这个也是我们的设计采用的是无源系统的主要原因。2.2 本章小结本章节对RFID门禁系统的工作原理和分基础技术理论进行简单的解析，讲述RFID，即射频识别的主要工作原理，以及对于不同类型射频技术对应工作方式对器进行了分类。并衡量利弊之后选择无源系统进行该设计，即后文提到的RC522的

16、识别模块进行设计。针对本设计的硬件选择部分，剩下的问题就是选取怎么样的芯片、IC卡和显示屏等，后期再攻克一下软件环节，相信该门禁系统的设计问题的解决得会更加顺利。3 RFID门禁系统的硬件设计3.1 主控模块3.1.1 控制器选型根据自身所学的有关单片机的知识，以及查阅到的资料和不同产品进行参考，选择单片机STM32F103C8T6进行我们地门禁系统设计。 如图3.1所示，这是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，不仅电压需求较低，而且工作温度可适范围相对一些普通芯片更广。 图3.1 STM32F103C8T6芯片图3.1.2 控制器

17、STM32F103C8T6最小系统及其管脚说明该门禁系统采用的控制器STM32F103C8T6的最小系统示意图如图3.2示：图3.2 STM32F103C8T6最小系统图图3.3 STM32F103C8T6芯片管脚STM32F103C8T6芯片管脚如图3.3所示，根据我们的基础专业知识，单片机最小系统一般由晶振电路、电源电路、复位电路以及调试电路等组成， 首先从电源电路出发，主要分为两个组成部分，供电电路和降压电路。前者用简单的USB接口电路，5V的电源输出即可，后者则是降压电路，USB以5V输入，然后输出3.3V，后者在工程领域应用也非常广，最能直接体现的就是输入和输出。当这个系统接入输入电

18、压，也就是电源的作用的时候，其幅值跃变十分大，但是接入足够容量的电容进行滤波以后，因为电容的充放电效应，调节时间常数，可以对初始的变化过程起到缓冲的作用，那么对于输出电容 ，我们知道，稳压电路的工作过程需要从输出采样，采样之后，要根据系统的反馈调节电路，这就需要在另一方面抑制因负载变化带来的电压波动频率与稳压电路调节速率差不多而产生的振荡效应，导致输出失控，所以稳压输出必须加滤波电容，以增加其稳定性。在图中我们可以看到，在大容量电容之中并联了一个小电容，对于滤除高频信号有着一定的作用。结合图中3.2中我们可以看到晶振电路，给STM32F103C8T6芯片提供一定的时钟信号，在这里用的是HSE4

19、振荡器，这里利用的是他的变化范围相对其他电路器件更加稳定，最小值为4MHZ，最大值为16MHZ，且符合我们的门禁系统的设计要求。常用的STM32单片机有三种复位方式，分别是电源复位，系统复位，后备域复位，在这里采用的是电源复位，从图3.2中可以看出，当NRST引脚被拉低的时候，会产生外部复位，并产生复位脉冲，从而使系统复位。另一方面，在电路设计的时候，加入了去耦电容，主要的目的是为了滤除杂波，保持引脚电压的稳定。这个时候就可以开始在先前的准备过程中调试下载电路，首先是BOOT选择，该电路有三种启动方式去下载，分别是从主闪存存储器种启动，从系统存储器启动和内置SRAM启动，这些操作需要取决于于B

20、OOT0，BOOT1的参数值，他们不同的取值会带来不同的工作方式，要根据实际情况需要选择合适的下载方式。3.2 LCD12864液晶显示屏模块3.2.1.LCD12864液晶显示模块简要介绍 LCD12864液晶显示屏模块，在其屏幕上总共有128*64个点，每个点就只有两种状态亮和不亮，0表示灭，1表示亮。根据我们想呈现的图案，基于字库，用软件去控制，就可以显示我们要显示的内容。存储这些点阵信息的RAM被称为显示数据存储器。倘若是模块带有字库，则不需要自己设计汉字，如果一些字和图案是无法显示的，则需要自己设计。LCD12864液晶显示屏模块的外形实物图和相关结构参数如下图3.5、图3.6所示。

21、图3.5 LCD12864液晶显示屏模块实物图图3.6 LCD12864液晶显示屏模块外形结构参数3.2.2 LCD12864管脚说明表3-4 LCD12864管脚功能管脚号管脚名称方向管脚功能描述1VSS电源地2VCC电源正3VOLCD驱动电压输入端4RSH/L指令/数据并行选择信号；串行的片选信号5R/WH/L读写并行选择信号；串行的数据口6EH/L使能并行信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并串行选择口：H-并口方式，L

22、-串行方式16NC空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18NC空脚19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端（-0V）从表3.4中我们看出来电源采用5V供电，LCD12864供电电压不需要供压很高的单片机，因此无需额外稳压给显示屏。分辨率高达128*64完全符合门及系统的显示需求，内置中文字库，提供8912个16*16点阵汉字，内置128个16*8点阵字符，所以不用再需要人为再去编写字库，大大缩短了开发时间；同时LCD12864的时钟频率较高，加上其通信方式有串行、并行两种，数据传输的效率大大提升。例如，从图中我们可以注意到，其中第4、第5、第6和第15引脚是复用型，PSB

23、引脚为通信功能选择引脚，当其为电平为高，为并行通信，反之为串行通信方式，大大提高了显示的效率。电源正负极接5V，同时由于模块显示不是靠自己的储能发光的，需要来自背部的光源，这就需要给19、20脚接入5V电源。同时背光对比度由VO通过外接电位器，实现对电压调节，实现合适的显示对比度，这决定了LCD能否正常显示数据及显示的效果。另一方面，其背光方式，侧部为高亮白色LED，功耗仅为普通LED的百分之十，节省了能源和效率。3.3 RFIDRC522读写器模块3.3.1 RFIDRC522概述在第二章的时候我们提到采用无源系统进行设计，所以门禁系统方案设计中的读写器模块选用的是RFIDRC522，读写模

24、块如图3.7示，这是一款基于MFRC522控制芯片进行开发的读写器模块，不但制作成本较低，而且着体积小稳定性高，是高集成的调制解调电路，读卡距离远，操作简单，有着灵活的中断方式，非常适合用来开发设备，以及体积小可以随意嵌入设备之中，并通过SPI接口就可以直接与连接的主板进行通讯，大大提高了读写效率。图3.7 RFIDRC522读写器模块示意图3.3.2 MFRC522芯片引脚排列MFRC522芯片的引脚排列图如图3.8所示。图3.8 MFRC522芯片引脚图3.3.3 MFRC522芯片概述如图3.9所示，读写器的读写芯片型号为MFRC522，这是非接触型读卡系列感应的智能设备。采用了调制以及

25、解调先进概念，把高频信号在非接触式的通信，协议进行调节集成化，同时支持ISO1443A多层应用，通信方式也具有很多种，由四线的SPI、IIC以及常用的串口通信模式，可供开发者选择。因为与中央系统间的通讯采用接线简洁的串行通信，这样在成品制作时减少了连线数量有利于使线路不太复杂，而且缩小了PCB 板的体积，从而使得制作成本降低，算法上实现也相对简单。 图 3.9 MFC522的结构原理方框图3.3.4 MFRC522特性及其应用场合芯片具有高度集成的调制解调电路，解码译码响应，缓冲驱动；采用少量的外部部件，就可以输出驱动级至天线，不仅支持ISO标准通信的协议，同时还支持读写模式下加密，通信距离达

26、到了50mm，串口通信为1228K bits/s，通信速度SPI为10M bits/s，I2C高速状态下为34000k bits/s，传输效率上高于平均水平的芯片，同时通信具有缓冲区，由64位的发送以及接收缓冲，具有灵活的中断模式，方便单片机与其通信，采用相互独立的多组电源供电，以避免模块间的相互干扰，提高工作的稳定性。MFRC522芯片，也具有自我测试。例如，芯片的工作正常温度在-30摄氏度到+85摄氏度的时候，在温度传感器的作用下，当芯片温度过高的时候，系统内部会通过温度传感器的输出量响应识别并自动停止RF发射，保证了芯片的使用寿命和设备的安全性能。MFRC522芯片适用于ISO/IEC

27、14443A标准并且要求低成本，小尺寸，高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。例如公共交通终端，便携式手持设备，非接触式公用电话等等。3.4 蜂鸣器控制电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于报警装置之中，所以在本毕业设计之中，用蜂鸣器去实现报警的功能。蜂鸣器主要是由振动装置和谐振装置组成，而蜂鸣器又分为无源他激型与有源自激型。本门禁系统设计采用的是有源自激型。如图3.10所示，当直流电源输入信号经过振荡电路的时候，经过系统的放大取样作用之后，输入信号在谐振装置作用下产生声音信号。图3.10蜂鸣器控制电路3.5 继电器设计时考虑到成品体积和携带，还有制作成本的问

28、题，根据所学的专业知识，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。不妨选择继电器来代替电路开关，利用其优越的特性发挥其关断的作用。继电器工作的实质相当于开门和关闭的动作，继电器的实物图如图3.11所示。我们再结合图3.12中的继电器电路，这里我们的门禁系统应用的是当晶体管用来驱动继电器时，晶体管选择的是NPN三极管。具体电路图3.12所示，当输入是高电平信号时，晶体管Q3饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合，继电器闭合LED灯亮起，表示门锁开；相反，当输

29、入是低电平信号时，晶体管Q3截止，继电器线圈断电，触点断开，若继电器触点断开LED灯灭，则表示门锁关门。所以在电路图中，晶体管Q3为控制开关，细节上分析，电阻R11主要起限流作用，可以有效降低晶体管Q3功耗，有效节约了资源；电阻R14使晶体管Q3可靠截止，保证了开关通断的可靠性；那么对于二极管D3，起到了反向续流的作用，为三极管由导通转向关断时为继电器线圈中的提供泄放通路，并将其电压箝位在+5V上。图3.11 继电器实物图图3.12继电器控制电路3.6片电源AMS1117-3.3及电源指示灯电路AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器发表开关电源

30、稳压器电池充电器活跃的小型计算机系统接口终端笔记本电脑的电源管理电池供电的仪器，这里需要注意的是，在主芯片中，一定要加入0.1uf的电容滤波，耦合高频信号，门禁系统中的AMS1117-3.3以及电源指示灯电路图如图3.13所示。图3.13 AMS1117-3.3以及电源指示灯电路图3.7按键控制电路我们采用最简单的连接键盘的方法，即一个微动开关一端连接在芯片的一个I/O口，另外一端接地。另一方面，在设置使用单片机内部的上拉电阻，即在芯片内部把IO口接在了VCC电源上，所以为高电平就不需要额外使用上拉电阻。按键控制电路的简便性，将更加适合后期的功能实现。图3.14 按键控制电路3.8 USB转串

31、口电路USB转串口能够实现计算机USB接口到通用串口之间的转换，可以为没有串口的计算机提供快速的通道，不仅如此，对于使用USB转串口设备，就等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。这里用到的是CH340，它是一个USB总线的转接芯片，用来实现USB转串口的功能。USB转串口电路CH340如图3.15所示。图3.15 USB转串口电路CH3403.9 AT24C04存储芯片电路我们立足于实际问题，对于通过MFRC522模块的信息不仅仅要通过第一层的识别的作用，而且要达到对于数据的存储作用，我们不妨采用AT24C04芯片实现后者的功能，AT24C04芯片的资料数据不会轻易丢失，在断电的情况也能保存较长时间。那么对于AT24C04存储芯片电路如图3.16所示。图3.16AT24C04存储芯片电路3.10本章小节本章对单片机的最小系统电路进行讲解，还有系统的硬件如STC89C52单片机控制模块、RFIDRC522读卡器模块、LED12864液晶显示模块、报警电路、继电器等硬件设备进行了一个系统的概述与分析，门禁系统硬件的骨架成功搭建好了，接下来就是集中精力攻克软件