[工学]基于射频识别技术的门禁系统的设计终极版.doc

高校在职硕士论文 I 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（Radio Frequence Identification：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 MF RC500 的特性，系统地对 MF RC500 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。 基于射频识别技术的门禁系统的设计 II 关键词：门禁系统；射频识别；MF RC500；读卡器；串口通信 Abstract To meet the needs of the information age, ensuring security of the internal architecture and the users different kinds of needs , entrance guard system comes out Gathered with computer technology, electronic technology, mechanical technology, magnetic-electric technology and radio frequency identification technology, Access Control System makes card and locks get “ integrity dialogue“ function. That smart cards to control the open or close of the doors ,introduces a new management concept , which not only manager can provide a safe, faster, more automated management style, but also offer the users, a great convenience. In this paper, we research on the design of radio frequency identification Access Control System. （1） This paper introduces the design of the Access Control network system based on radio frequency identification IC card, which analysises the design of hardware detailedly, gives out the electric circuit principle diagram of making contactless IC card Proximity Coupling Device（PCD）. The PCD is consisted of RF antenna, read/write module, RS485 communication interface and MCU, which can read/write the Mifare contactless Smart Card of Philips company, the distance of reading card is 10 cm roughly.The system will display the clock when there is no card entered into the scope of RF energy； when the card entered into that, the reading card data will be displayed. （2）Deeply studed the RFID antenna EMC filters, receive circuit and antenna matching circuits, etc., and considering the special design,we use the coil antenna ,optimize the coupling circuit by raise the quality factor Q and the frequency tuning. （3）Regard the Application for network equipment requirements ,Access Control Terminal using RS485 communications, while combining Access Control RS485 reader on the network topology, through the RS485 interface and PC component communication network system. Reader peacetime can work independently, PC every opportunity to visit some time reader, with PC clock reunification on the clock calibration reader, and the memory card reader to read data to the reader to obtain timely data processing. （4）The Design including watchdogs, LCD, data storage and real-time clock module, and other peripheral circuits, using serial design such as SPI, I2C, thus saving 高校在职硕士论文 III the MCUs I / O interface. Access Control System Design at the same time combining the access control circuit, completed the equipment selection. （5）To meet the Radio Frequency Identification Access Control System design requirements ,we design by modular software method. According to the characteristics of MF RC500 and the systematic research on the operation of MF RC500 chip process, design the flow chart of the main program modules subroutine, use C51-language development the bottom of the reader control software, and completed the debugging process that results meet the design requirements. RFID with convenient and efficient becomes the focus of attention of the industry, and China is being an RFID tag production of the most promising production base. Applicated Radio frequency identification to the Access Control System, has broad application prospects. Based on this thinking, this paper gives out the realization of the specific design, but also to be further study on the expansion, such as the use of Internet access to replace RS485 interconnection, expanding the size of the system. Keywods： Access Control System； Radio Frequency Identification； MF RC500； Proximity Coupling Device； Serial Communication. 基于射频识别技术的门禁系统的设计 IV 目录 摘要 I ABSTRACTII 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景及意义1 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 3.4.1 EMC 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 3.5 RS485 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 高校在职硕士论文 V 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 高校教师硕士学位论文 1 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。 基于射频识别技术的门禁系统的设计 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Northern Computer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/IEC14443 Type A 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 高校教师硕士学位论文 3 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； 1 对国外已有的系统进行仿造； 2 产品单一、开发成本较高。 3 （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， 1 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 2 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， 3 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， 4 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。 基于射频识别技术的门禁系统的设计 4 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。 高校教师硕士学位论文 5 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 12 。 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。 读写器 计算机 射频前端 逻辑控制 存储器 应答器 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 基于射频识别技术的门禁系统的设计 6 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、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格 进行了规范。RFID 应用系统的标准制定决定了 RFID 天线的选择，下面将分别 介绍已广泛应用的各种类型的 RFID 天线及其性能。 2.1.2RFID 天线 RFID 天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3 种基本形式的天线。其 中，小于 1m 的近距离应用系统的 RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈 型天线，它们主要工作在中低频段。而 1m 以上远距离的应用系统需要采用微 带贴片型或偶极子型的 RFID 天线，它们工作在高频及微波频段。这几种类型 天线的工作原理是不相同的。 1、线圈天线 当 RFID 天线进入读写器产生的交变磁场中，RFID 天线与读写器天线之间 的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。 由 RFID 天线形成的谐振回路见图 2.2，它包括 RFID 天线的线圈电感 L、寄生 电容 Cp 和并联电容 C2，其谐振频率为：f =1/2，(式中 C 为 Cp 和 C2的并 联等效电容)。 RFID 应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。 常用的 ID21 型非接触式 IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm 54.03 mm 0. 76 mm)，天线线圈谐振工作频率通常为 13. 56 MHz。目前已研发出线圈天 线面积最小为 0. 4mm 0.4 mm 的短距离 RFID 应用系统。某些应用要求 RFID 天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识别的 RFID。线圈外形 即面积的减小，RFID 与读写器间的天线线圈互感量 M 就明显不能满足实际使 用，通常在 RFID 的天线线圈内部插入具有高导磁率 的铁氧体材料，以增大 互感量，从而补偿线圈横截面减小的问题。 高校教师硕士学位论文 7 L R U2 C2RL Ui Cp 图 2.2 应答器等效电路图 2、微带贴片天线 微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成 的，见图 2.3。 根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状。通常 贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场沿导体 的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长(/ 2) 的导体长度方向变化， 则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方 向基本确定。因此，一般适用于通讯方向变化不大的 RFID 应用系统中。为了 提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题，人们还提出了各种不同的微带缝隙 天线，如设计了一种工作在 24 GHz 的单缝隙天线和 5. 9 GHz 的双缝隙天线， 其辐射波为线极化波；如开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线，它是可以采用 左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的1和0进行编码。 金属地板 介质基片 贴片 图 2.3 微带贴片天线 3、偶极子天线 由于 RFID 应用系统中的远距离耦合，需要用的是偶极子天线(又称对称振 子天线) 。偶极子天线及其演化形式见图 2.4，其中偶极子天线由两段同样粗细 和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的 两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。 利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程： E = = 60 sin cos(cos ) 式中 Iz 为沿振子臂分布的电流， 为相位常数， r 是振子中点到观察点的距 离， 为振子轴到 r 的夹角，l 为单个振子臂的长度。 同样，也可以得到天线 的输入 基于射频识别技术的门禁系统的设计 8 图 2.4 偶极子天线 (a)偶极子天线；(b)折合振子天线；(c)变形偶极子天线 阻抗、输入回波损耗 S11 、阻抗带宽和天线增益等等特性参数。当单个振子臂 的长度 L =/ 4 时(半波振子) ，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视 为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取 振子的长度 l 为 / 4 的整数倍，如工作频率为 2. 45 GHz 的半波偶极子天线,其 长度约为 6 cm。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图 2.4(b)的折 合振子。 2.1.3射频识别系统的典型结构 射频识别系统的典型结构见图2.5，主要是由两部份组成：读写器和射频卡。 读写器同射频卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线 （或感应线圈）。射频卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特。可 以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数据可以是射频卡序列号，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E2PROM等可重 写的存储器内，用以存储用户数据。射频卡可以根据读写器发出的指令对这些 数据进行相应的实时读写操作。控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令， 控制读写数据，负责数据安全等功能。射频卡分无源卡和有源卡两种，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 于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。读写器内 的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要 实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。计 算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。 高校教师硕士学位论文 9 收收发发模模块块 天天 线线 天天 线线 控控制制模模块块 接接口口模模块块 计计算算机机 存存储储器器 控控制制模模块块 收收发发模模块块 数数据据 能能量量 射射频频卡卡 读读写写器器 图 2.5 RFID 系统典型结构 图2.6 为RFID系统的工作过程，这是一个无源系统，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射频脉冲提供11-13。 射频读写模块在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射 1 功率、工作频率和天线尺寸。 射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整 2 流后给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。 数据解调部分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 3 部分。逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。 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。 4 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 5 性，然后进行处理，必要时可以通过RS232或RS422或RS485或RJ45或无线接口 将数据传送到计算机。读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟 信号，使数据同步，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电池提供的14-18。 基于射频识别技术的门禁系统的设计 10 控控制制逻逻辑辑 E EE EP PR RO OM M 数数据据 解解调调 数数据据 解解调调 稳稳压压 读读写写 模模块块 控控制制 模模块块 数数据据管管理理 读读写写器器射射频频卡卡 V Vc cc c 串串行行接接口口 图 2.6 射频识别系统原理图 2.1.4RFID同其它自动识别技术的比较 随着计算机技术的不断发展，相继涌现出多种自动识别技术，目前主要有： 光符识别技术（OCR）、磁字符识别技术（MICR）、磁性条识别技术 （MBR）、机器视觉系统（NIVS）、条码识别技术、IC卡识别技术及射频识别 技术等。评价一种自动识别技术，通常有两个重要指标，即首读率和误码率。 首读率是指当对一组数据进行一次性识别时，其中一次性识别成功的概率，常 用FRR表示。误码率是指对一组数据进行识别时，其中可能出现一个错误字符 的统计概率，常用SER表示。OCR技术由于FRR不高，逐步被条码技术取代； 磁字符识别技术专用于银行业务中，阅读设备复杂； 机器视觉系统通常被用于 自动分类和检查产品的制造业中。这些技术或正被淘汰，或只用于专业系统， 所以这里不再讨论。而条码、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，它们都有各自的优缺点及适于应用的场合 5 79 。 表2-1列举了几种识别技术各自的优缺点。条码成本最低，适于大量需求且 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， 且数据量很小。磁性条的成本也很低，但是容易被伪造，数据量小。IC卡的价 格稍高些，数据存储量很大，数据可以加密，安全性好，但是由于它的接触点 在外面，有可能被损坏。而射频识别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，适于实现自动化。由于射频卡是完全封装的，不易 损坏，适于在恶劣环境中使用，还可识别高速运动物体并且同时可以识别多个 卡，因此操作快捷、方便1-4。 表 2.1 几种识别技术的区别 高校教师硕士学位论文 11 信息 载体 信 息 量 读/ 写 性 读取 方式 保 密 性 智 能 化 环境 适应 能力 寿 命 ISO 标准 成 本 条 码 纸、塑料薄 膜、金属表 面 小只 读 CCD 或激 光束扫描 差无差较 短 有最 低 磁 性 条 磁性物质一 般 读/ 写 电磁 转换 一 般 无较 差 短有低 IC 卡 E2PROM大读/ 写 电擦除较 好 有好长有， 不全 较 高 RFID 卡 E2PROM大读/ 写 无线 通讯 最 好 有很 好 最 长 有较 高 2.2 门禁系统结构原理 在工厂、学校、办公室、商店、金融系统、军事系统、住宅、宾馆等多种 场合，为了学习、工作、生活的安全和有效，需要进行封闭式管理。传统的方 法是工作人员对出入人员进行登记放行。这种方法费力又容易出错，而且管理 不严格。随着技术的进步，门禁系统逐渐由原来的钥匙开门，到IC卡的门禁管 理，最后到现在的非接触式IC卡门禁系统。非接触式门禁系统采用个人识别卡 方式工作。给每个有权进入的人发一张个人识别卡，相当于一把钥匙。系统根 据该卡的卡号和当前时间等信息，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，不开门。对于工厂、机关等需要考勤的场所，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，而不必担心某一卡丢失后造成什么损失8。门禁系统的功能如 下： （1） 时刻自动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通过总线方式与控制中心实时联系，记录所 有进出入人员的信息，包括人员姓名、进入时间和进入的门等，如请求进入的 人员身份合法（即经过控制中心授权），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事件也能实时报警并处 基于射频识别技术的门禁系统的设计 12 理 。 （4） 人员可以向控制中心申请权限，中心批准后可以使用该卡开指定的 门。 （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，随时汇整 数据 ， 并根据需要将资料打印出来。 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/关门、 识别卡等构成，典型门禁系统构成见图2.7。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，由它来决定某一张是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所 限定的时间段和开门权限，从而控制电控锁是否打开。系统的控制主机可以是 单片机也可以是PC机，系统组网情况下的拓扑结构一般采用总线结构，其优点 是节点接入方便、成本低、轻载时延时小、可靠性高等1112。 管管理理主主机机 通通信信管管理理器器 门门磁磁传传感感器器 开开门门/ /关关门门 门门禁禁控控制制器器 读读卡卡器器 电电控控锁锁 图 2.7 典型门禁系统的构成 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，主机发下的控制命令、门锁的状态和记录信息都经由门控器来传送， 并且控制读写器、接收读写器的资料等。 读写器是使用者与系统的一个接口，它必须具有如下的基本功能。 （1） 非接触式IC卡进入/退出射频区的识别与控制； （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/解密处理及密钥管理机制； （5） 提供相应外部控制信息及与其他设备的信息交换； 因此，本部分的性能非常重要。在本系统中的射频读写芯片采用Philips公 高校教师硕士学位论文 13 司的MF RC500，该芯片是Philips公司的最新产品，比以往的射频识别芯片具有 更好的性能6。 门磁传感器则可以反映门的实时状态，通过门磁信号微处理器可以判断是 否是合法开门，若是非法开门，则给出相应报警信号。电控锁是门禁系统的执 行机构，有阳锁、阴锁之分。按照识别身份技术的不同，可以把门禁系统划为 磁卡门禁、非接触式 IC 卡门禁系统、指纹门禁系统等。在以卡识别技术为主的 系统中，用户可以根据需要选择各种类型的读卡器，也可以选用数字密码键盘 开锁，常用于酒店、商场、公司、机关等公共场合。对于通过指纹鉴别身份的 门禁系统，通常用于保密性很强的出入控制场所11。 2.3密码技术 (1) 通讯安全和保密 通信安全与保密是为了达到 IC 卡与读写设备进行信息交换过程中的有效与 合法。具体而言，也就是要求相互传送的信息具有完整性、真实性、有效性、 保密性和不可否认性。完整性是指 IC 卡与读写设备必须能检测出在它们之间交 换的信息是否己经被修改，判断出相互交换的信息是否合法，对于完整性的保 证，一般是在所交换的信息内添加一段报文鉴别码(MAC)。真实性是指 IC 卡和 读写设备都必须有一种确证能力，能够确证它们各自所收到的信息都由真实对 方发出，自己发出的信息也确实被真实对方接收。有效性是指 IC 卡和读写设备 能区别当前有效合法的信息与前次有效的信息；对于有效性的保证一般是在通 信信息内添加加密后的时间段信息。保密性是指通过对要交换的信息进行加密 处理来防止非授权者读到真实的明文内容。不可否认性是指发方和收方不可否 认信息的发出和收到。 从上面谈到的 IC 卡逻辑安全中，我们可以清楚地看到密码学在 IC 卡安全 性中的重要地位。在决定 1C 卡安全性的问题上，采用什么样的加解密方法， 什么样的认证方法及它们的安全强度如何等等，对于 IC 卡的安全性有着至关重 要的影响。 使用密码进行通信的一般模型见图 2.8。其中要被加密的原文称为明文，加 密过程的输出称为密文，密文通过传输信道传输到接收端，然后通过解密过程 将明文还原。可见，数据的加密和解密的过程实际上就是通过一定的算法将信 息加以伪装和解除伪装的过程。 完成加密和解密的算法称为密码体制。密码体制的分类有很多种。按照加 密密钥和解密密钥是否相同，分为对称密钥密码体制(秘密密钥体制)和非对称 密钥密码体制(公开密钥体制)。在本设计中主要采用了非对称密钥密码体制。 基于射频识别技术的门禁系统的设计 14 接受者 密码分析者 解密译码器加密编码器信源 密钥源 明 文 加密密钥 秘密信道 公开 信道 密 文明文 解密密钥 图 2.8 密码通信的一般模型 (2) 对称密钥密码体制 对称密钥密码体制中加密密钥和解密密钥相同。这一体制是密码学的基本 方法。通信双方享用一个共同密钥 k，一方用密钥 k 加密明文，产生密文；另 一方用密钥 k 解密密文，恢复出明文。 可以把加密与解密过程表示为:(Ek表示加密算法，Dk表示解密算法， mM 明文空间) C=Ek(m) m=Dk(C) m=Dk(Ek(m)对称密钥密码算法中，最著名的就是 DES(Data Encryption Standard)算 法，它是由 IBM 公司在 1975 年研究成功并公开发表的，它是一种分组加密算 法，明文按比特分组加密，密钥是 56 位密钥加 8 位奇偶校验位。加密算法与解 密算法相同，分组的明文信息根据密钥执行一系列可逆的混乱与扩散算法。 (3) 非对称密钥密码 人们在使用对称密钥密码系统中，发现它有两个主要缺陷: 密钥管理既复杂又困难，例如，在一个具有 n 个用户的相互通讯系统中， 1 就需要有 Cn2个密钥，当 n 很大时，就使得维护密钥的安全变得十分困难。 对称密钥系统不能确证信息来源的真实性和用户的身份。 于是在 1976 年，Diffie 和 Hellman 在其“密码学新方向”，一文中提出了公 开密钥系统，即密码系统中的加密密钥、解密密钥可以不同。加密密钥公开， 由加密密钥和密文不能容易地求得解密密钥和明文。另外，加密变换和解密变 换可以交换，即满足 Ek*DkDk*Ek。这样，公开密钥体系可以方便地解决上述 两个问题。 在公开密钥密码体制中，最有名的一种是 RSA 体制。它己被 ISO/TC97 的 数据加密技术分委员会 SC20 推荐为公开密钥数据加密标准。RSA 算法是由 Ronald LRIVest 博士、AdiSh amir 博士、LeonardA dleman 博士创立，并以他们 的名字命名的公开密钥的算法。 RSA 算法是一种分组密码算法，它以数论中的欧拉定理为理论