基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)研究

隨著無線射頻技術(shù)的快速發(fā)展，無線射頻技術(shù)因其具有獨(dú)特的優(yōu)越性在日常的生活中作為安全防范領(lǐng)域中得到了飛速的發(fā)展和較廣泛的應(yīng)用。射頻無線技術(shù)作為安防領(lǐng)域中的門禁系統(tǒng)之所以能在眾多安防產(chǎn)品中脫穎而出，根本原因在于它與傳統(tǒng)的安防產(chǎn)品相比有較大的改變，將被動(dòng)的安防方式變?yōu)榱酥鲃?dòng)控制方式。同時(shí)該門禁系統(tǒng)支持密碼校驗(yàn)和認(rèn)證，對(duì)ID卡的識(shí)別過程無須人為干預(yù)，同時(shí)它既支持對(duì)ID卡的讀工作模式也支持卡的讀寫工作模式;這種ID卡即使在惡劣環(huán)境下的環(huán)境下也可以正常工作在，識(shí)別速度快數(shù)據(jù)容量大，ID卡標(biāo)簽數(shù)據(jù)較為唯一，如同身份證般，卡在出廠時(shí)就已經(jīng)制作號(hào)，無須再修改，隱密性高，具有更好的安全性。

1 射頻識(shí)別技術(shù)原理及主要特點(diǎn)

無線射頻識(shí)別技術(shù)是從二十世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它的基本識(shí)別原理是利用射頻無線方式進(jìn)行非接觸雙向通信，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)它具有抗干擾強(qiáng)、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、精度高、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 工作原理

本系統(tǒng)中的非接觸式門禁讀卡基站是以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，這種基站是一個(gè)體積小、重量輕、操作距離最大可達(dá)10 cm的ID卡射頻基站。當(dāng)門禁讀卡基站工作時(shí)，它與專用的射頻基站(MFRC-522)相連的線圈天線不斷地四周發(fā)送一組固定頻率的電磁波(13.56 M)，當(dāng)有非接觸式ID卡靠近時(shí)，此時(shí)激發(fā)的頻率可以與卡片內(nèi)存儲(chǔ)一組固定的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，當(dāng)該共振頻率與讀寫基站發(fā)射出來頻率相同時(shí)，由共振原理得知，通過共振從而激發(fā)電荷產(chǎn)生電荷量并將已經(jīng)存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并通過射頻基站解碼從而獲得卡號(hào)。而ID卡的原理是當(dāng)接收到有由射頻基站發(fā)出的頻率后，卡內(nèi)置的電容處于激發(fā)充電狀態(tài)從而產(chǎn)生了激發(fā)電荷，在該電容另一端，同時(shí)接有一個(gè)具有單向?qū)щ娦缘碾娮颖?，該電子泵可以將激發(fā)電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)未激發(fā)電容內(nèi)進(jìn)行電荷存儲(chǔ)。當(dāng)存儲(chǔ)電容的電荷量達(dá)到2 V時(shí)，此存儲(chǔ)電容就可以作為卡上電源為其他電路提供工作電壓，將卡

內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去。在該門禁系統(tǒng)中，當(dāng)有ID卡進(jìn)入射頻基站的天線發(fā)送頻率的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，門禁讀卡基站就會(huì)讀取非接觸式ID卡的卡號(hào)，并將所讀卡號(hào)通過串口發(fā)送給微處理器，并在顯示屏上顯示服務(wù)信息，同時(shí)進(jìn)入密碼校驗(yàn)服務(wù)程序，當(dāng)密碼校驗(yàn)正確后啟動(dòng)門鎖，若密碼校驗(yàn)錯(cuò)誤超過三次以上，將給予警告處理。當(dāng)門禁讀卡基站天線未檢測(cè)到ID卡時(shí)，徽處理器將進(jìn)入閑時(shí)模式，讀實(shí)時(shí)鐘電路的時(shí)鐘信息，并在顯示屏上顯示當(dāng)前日期和時(shí)間。

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：微控制器、ID卡和射頻基站，其工作原理如圖1所示。

1. 2 主要特點(diǎn)

和傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)相比，有以下智能化特點(diǎn)：

1)射頻識(shí)別卡片小且重量輕，攜帶方便，射頻基站可以在10 cm左右的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)卡號(hào)的識(shí)別與讀寫;

2)ID卡片制作封閉，具有良好的防灰塵、防水、防污損性能;

3)在操作過程中不需要和門鎖接觸，減少了機(jī)械磨損;

4)射頻無線信號(hào)的穿透能力強(qiáng)，可生活中的穿障礙物，卡號(hào)數(shù)據(jù)量傳輸小，易于讀取;

5)ID卡較IC卡內(nèi)序列號(hào)就像身份證一樣，具有惟一的，生產(chǎn)商在卡出廠前已將此序號(hào)固化，安全性高;

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是采用無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，匙鑰是采用質(zhì)量體積輕巧的ID卡作為門禁卡，控制單元采用價(jià)廉、穩(wěn)定性高、技術(shù)比較成熟的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)為了增高門禁的防盜系數(shù)，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的射頻門禁系統(tǒng)方案中增加了密碼校驗(yàn)功能，進(jìn)行讀卡密鑰雙校驗(yàn)，另外增加顯示屏作為人機(jī)交互界面，同時(shí)增加語音提示功能和時(shí)鐘源作為閑時(shí)的時(shí)間顯示功能，本系統(tǒng)整個(gè)操作過程如同日常生活中銀行ATM操作流程一樣。具體的操作設(shè)計(jì)流程如下：當(dāng)匙鑰ID卡靠近控制器的讀寫器基站時(shí)，讀寫器基站可以準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行卡號(hào)識(shí)別并讀取后，并將其序列卡號(hào)通過串口數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器上的微處理器，然后微處理器通過中斷服務(wù)程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)信息與該卡號(hào)對(duì)應(yīng)的用戶信息進(jìn)行匹配，如果該卡號(hào)已進(jìn)行過信息注冊(cè)為用戶后，則通過卡號(hào)驗(yàn)證并通知微處理器校驗(yàn)成功，然后語音提示正確并同時(shí)提示用戶進(jìn)行密碼輸入鍵盤校驗(yàn)，著密碼校驗(yàn)成功則觸發(fā)門鎖控制啟動(dòng)開門;若讀卡失敗或卡號(hào)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)的信息不匹配并且刷卡次數(shù)超過三次，則語音會(huì)給予警告提示;若卡號(hào)校驗(yàn)成功，但密碼校驗(yàn)不通過且密碼輸入次數(shù)超過三次，則啟動(dòng)報(bào)警裝置禁止通行并告知持卡人迅速離開;若在兩種密碼校驗(yàn)都失敗后，則啟動(dòng)超聲波檢測(cè)裝置來檢測(cè)當(dāng)前操作的人是否還在警報(bào)狀態(tài)下仍在超聲波檢測(cè)范圍內(nèi);同時(shí)，在系統(tǒng)閑時(shí)會(huì)通過時(shí)鐘電路讀取當(dāng)前時(shí)鐘信號(hào)顯示此時(shí)時(shí)間。

整個(gè)系統(tǒng)概要組成由ID卡、讀寫基站、鍵盤矩陣和微處理器及時(shí)鐘電路五部分組成。微處理器是系統(tǒng)的控制核心，而讀寫基站通過無線射頻技術(shù)與ID卡進(jìn)行無線通信，從而完成卡號(hào)的讀取和數(shù)據(jù)的發(fā)送，當(dāng)通過串口發(fā)送，微處理器收到通信數(shù)據(jù)后，與數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)注冊(cè)的卡號(hào)信息校驗(yàn)，若成功后啟動(dòng)鍵盤密碼校驗(yàn)功能，通過雙重安全校驗(yàn)都成功后，控制端作出相應(yīng)的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作流程。

2.2 硬件組成

門禁系統(tǒng)的讀卡器基站相當(dāng)于一個(gè)智能的節(jié)點(diǎn)，它能獨(dú)立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、判斷卡類型、實(shí)時(shí)監(jiān)控刷卡動(dòng)作、控制電磁門鎖和報(bào)警器等一系列的操作。整個(gè)門禁系統(tǒng)的硬件部分主要包括負(fù)責(zé)控制和監(jiān)控識(shí)別部分的微處理器、射頻基站電路、時(shí)鐘電路、報(bào)警裝置(聲光報(bào)警電路)、超聲波檢測(cè)電路、復(fù)位電路、按鍵矩陣電路。電路的硬件框圖如圖2所示?？刂茊卧捎玫氖荢TC公司STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制單元，這款單片機(jī)是常用的MCS-51系列單片機(jī)的增強(qiáng)版本，它具有良好的低功耗、抗干擾和性價(jià)比高的特點(diǎn)，同時(shí)在同樣的晶振的情況下，較普通的MCS-51主頻處理速度8到12倍，片上集成了1280字節(jié)的RAM，有8路10位高精度的AD采集通道，具有4個(gè)16位定時(shí)器，較普通8051增加了兩個(gè)定時(shí)器、兩路PWM功能、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下載，并且與傳統(tǒng)8051單片機(jī)兼容;超聲波模塊采取HC-SR04，該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)距精度高，檢測(cè)盲區(qū)較小，編程操作較為簡(jiǎn)單;顯示屏采用LCD1602作為人機(jī)交互屏，該顯示屏低功耗、重量體積輕巧、顯示內(nèi)容豐富;鍵盤采用8x8的矩陣按鍵;時(shí)鐘電路采用DS1302作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它高性能、低功耗，同時(shí)自帶RAM作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘，同時(shí)對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年自校正功能;射頻基站采用市場(chǎng)上用的較為普遍的MFRC-522，該射頻模塊集成了編碼解調(diào)和解調(diào)編碼的收發(fā)功能，對(duì)ID卡的數(shù)據(jù)讀取有效距離最遠(yuǎn)可以10cm，同時(shí)集成了并行和串行端口的控制電路，可以自動(dòng)檢測(cè)與之相連的外部微控制器的端口類型，具有64字節(jié)的FIFO緩沖寄存器，用來與微處理器之間的數(shù)據(jù)流的輸入和輸出。

整個(gè)門禁系統(tǒng)的硬件電路較為簡(jiǎn)潔，輔助電路較少，每個(gè)模塊響應(yīng)單元較為獨(dú)立，這可以提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性;同時(shí)在器件選擇上都是技術(shù)、性能較為成熟的模塊電路，該門禁系統(tǒng)硬件價(jià)格低、功耗低、穩(wěn)定性高、安全度高、易于市場(chǎng)推廣等特點(diǎn)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

門禁控制單元的程序包括：門禁控制單元對(duì)門的檢測(cè)和鎖狀態(tài)監(jiān)控程序、MFRC-522射頻基站與ID卡的通信程序、微處理器與MFRC-522串行通信過程、門禁號(hào)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)注冊(cè)的信息校驗(yàn)及中斷服務(wù)程序、鍵盤密碼校驗(yàn)中斷服務(wù)程序、時(shí)鐘電路的讀寫及LCD顯示程序等。主程序流程圖如圖3所示。

門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取C語言作為編程語言，KeiluVision4作為程序編寫、調(diào)試、編譯、鏈接、生成機(jī)器代碼的編程軟件，通過stc—isp進(jìn)行硬件串口調(diào)試。

3 結(jié)束語

目前，隨著射頻技術(shù)的快速成熟與發(fā)展，基于射頻技術(shù)的安防領(lǐng)域的分支也得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從高安保的銀行、公司走向家庭等場(chǎng)合，呈現(xiàn)一種大眾化趨勢(shì)。該門禁系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代安防領(lǐng)域從非智能化走向智能化的一個(gè)過渡，也加強(qiáng)了門禁的安全性。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，將傳統(tǒng)的門禁、報(bào)警等有機(jī)地結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作、報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等智能化。