（控制科学与工程专业论文）基于射频识别技术的门禁系统研究.pdf

武汉理j f 大学硕+ 学位论文 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，特别是身份识别和安防等行业，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r f i d 技术的高安全性的智能门禁系统，是 通过r f i d 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r f i d 涉及到的关键技术。 再次，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r f i d 卡、门禁控制器和l f 发射天线等硬件电路。r f i d 卡与门禁系统之间采 用无线双工通讯方式进行数据传输，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。 最后对论文进行总结，概括了本课题的研究内容和研究成果，给出项目还需 要改进的地方，并展望了未来r f i d 技术的发展前景。 关键词：射频识别，门禁控制器，i d 卡，智能门禁 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es o c i a le c o n o m ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r eb e c o m i n gm o r ew i d e l yu s e d i nv a r i o u ss e c t o r s ，p a r t i c u l a r l yt h ei d e n t i f i c a t i o na n d s e c u r i t yi n d u s t r i e s ，a c c e s sc o n t r o l s y s t e ma sa ni m p o r t a n te l e m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t r a d i t i o n a la c c e s sc o n t r o ls y s t e ma d o p t e db ym e c h a n i c a l l o c k s ，a n dc r e d i tc a r d v e r i f i c a t i o n ，e t c ，r e q u i r ec l o s eo p e r a t i o n ，w h e nt h ec o n s u m e r sh a n d so c c u p i e di s e x t r e m e l yi n c o n v e n i e n t ，a n de a s i l yl o s t ，c o p y i n ga n du n a u t h o r i z e du s e ，c o s t sa r e h i g h e r r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e su pf o rt h e s ed e f i c i e n c i e s ，a n d r a d i of r e q u e n c yl a b e l sa r en o n - c o n t a c t ，r e a da n dw r i t es p e e d ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ， t h i sa r t i c l ed e s i g n e dau s eo fr f i dt e c h n o l o g yi nh i g h s e c u r i t ys m a r ta c c e s sc o n t r o l s y s t e m ，i st h er f i dc e r t i f i c a t i o nq u i c k l yc o n f i r mt h a tt h es t a f fo ft h et r u ei d e n t i t yo f i n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e m w h e nu s e r se n t e rt h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rt h e d e t e c t i o nr a n g e ，t h es y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l yo b t a i ni d e n t i t yi n f o r m a t i o nt oi d e n t i f y t h ep e r s o nu s i n gt h e mi sn o ta l e g i t i m a t eu s e r s ，a n dr e c o r de n t r yo fi n f o r m a t i o n ，o nt h e i l l e g a li n t r u d e ra l a r ms i g n a l f i r s t l y , h a sa n a l y z e d t h ee n t r a n c e g u a r ds y s t e md o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et e n d e n c yi nt h i sp a p e r , e l a b o r a t e dt h ee n t r a n c e g u a r ds y s t e mc u r r e n te x i s t e n c eq u e s t i o n ，d r a w so u tt h et o p i ct h er e s e a r c hg o a la n dt h e s i g n i f i c a n c e ，p r o p o s e db a s e do nt h er a d i of r e q u e n c yr e c o g n i t i o ni n t e l l i g e n te n t r a n c e g u a r ds y s t e md e s i g np l a n s e c o n d l y , o nr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e d ，f r o mr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc o n c e p t sa n dw o r k si nt w op a n s f r o mr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo fs t a r t g i v e s f u l ld e t a i l so fr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n s y s t e mw o r k s ，t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dr f i dk e v t e c h n o l o g i e si n v o l v e d a g a i n ，d e t a i l sa b o u tt h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g np r o c e s s , d e s i g no u tg u a r ds y s t e mr f i dc a r d s ，a c c e s sc o n t r o l l e rl ft r a n s m i t t i n ga n t e n n a sa n d i i 武汉理r ：人学硕十学位论文 o t h e rh a r d w a r ec i r c u i t r f i dc a r da n ds w i p eu s e db e t w e e nd u p l e xc o m m u n i c a t i o n m o d ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，a n dr e a l i z ear a p i dr e s p o n s es y s t e m o nt h es e l e c t h a r d w a r ec i r c u i tc h i p s ，h a r d w a md r i v e r s ，d e s i g n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m s s u c ha st h ed e s i g nf o rs p e c i f i cd e t a i l s f i n a l l y , s u m m a r yo ft h ep a p e r , s u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s e a r c h r e s u l t s ，g i v et h ep r o j e c ta l s on e e di m p r o v e m e n t ，a n dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r ep r o s p e c t s f o rt h ed e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：r f i d ，a c c e s sc o n t r o l l e r , i dc a r d s ，i n t e l l i g e n ta c c e s s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究：f 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理t 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同1 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均己住论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：雌日期_ 纽趔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生。签孙丝萃翩。签孙叠望立吼啦泷 武汉理_ - j j 人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 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 寄只有希望于更安全、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，材料多么孥固， 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川。 智能门禁系统是智能i c 卡与机械锁的有机结合，用智能i c 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i c 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其中重要的安防系统之 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 武汉理工大学硕十学何论文 的5 7 8 ，闭路电视监控及其他报警设备销售总额仅占3 9 2 ，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2 5 ，与其他安防设备的增长 率相比高出了十几倍1 2 】。 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。 1 1 2 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 进行盗劫、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【3 1 。 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，这就需要丌 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i c 卡行业的发展起始于1 9 9 3 年左右，当时对l c 卡行业非常重视，高瞻 远瞩，国家大力发展我们自己的i c 卡事业，建立了“金卡工程”【4 】。已成功丌发 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c p u 卡 和非接触i c 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i c 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 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 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。 1 2 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p j 。 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i c 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门，智能i c 卡具有一定的存储能力和运算 处理能力，通过对i c 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i c 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i c 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i c 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 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 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【6 】。控制处理模块是门禁控制系统所有功能 和组念方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防范能力以及对同常工 作的管理。 上个世纪8 0 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9 0 年代后期，图像设备的引入和发展，以及图像处理的 算法为指纹识别应用提供了条件，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【_ 7 1 。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。由于这些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。 1 3 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丌发。在国外的门禁系统有很多品牌，主要有 美国的休斯( h i d ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、英国的集宝，以色列的s e r v a n t 等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等【s 】。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 4 武汉理i ：大学硕十学位论文 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 干到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1 0 - 5 0 ，但是系统的町靠性 相对会差一点【引。 1 4 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2 1 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4 0 年代的雷达技术，在9 0 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i 日j 耦合 ( c o u p l i n g ，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的，即雷达首先向空f 日j 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。在低频段射频谚 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束传递信号和 能量【10 1 。 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 5 武汉理i ：人学硕+ 学1 奇= 论文 产效率和促进人类文明的发展产生巨大的影响。 1 4 1r fld 的电磁学原理 r f i d 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 理解好使用r f i d 系统【1 9 1 。 ( 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，当离丌天线的距离逐渐增大时，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的不同的性质。 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， 通常将距离天线耽兀范围内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着是组合天线的一部分，可以将这些会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 6 武汉理1 ：人学硕十学位论文 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 = 2 d 2 五( 1 1 ) 式中，d 为天线的直径：为天线的波长；d 口五。 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 2 口l 或j 乙a 3 5 3 m ( 3 5 3 m ) 4 3 3 m h z0 6 9 31 1 锄 ( 1 1 c m ) 9 1 5 m h z0 3 2 85 2c m6 1 锄 2 4 5 g h zo 1 2 21 9 c r n1 6 4 c m 当系统的工作频率一定时，由天线的结构模式町知，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。 7 武汉理jj j 人学硕十! 学位论文 1 4 2r fid 系统的分类 r f i d 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r f i d 系统完成的功能不同，可以将r f i d 系统分为三种类型，即e a s 系统、便携式的数据采集系统和物流控制系统【泊】。 ( 1 ) e a s 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e a s ，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，e a s 系统会拉响警报。e a s 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： r f i d 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收器和读写器，形成 一定的监视区域。当具有某些特殊特征的电子标签进入到此空间时，会干扰发射 器发出的信号，接收器也会接收这种干扰信号，经过控制器的判断和分析后，就 会控制报警器拉响警报。 ( 2 ) 便携式的数据采集系统，是指手持式的数据采集器上带有射频标签读 写器，这种系统的灵活性比较大，可以移动的读取射频标签的信息，在不宜安装 e s a 系统的环境下比较适合便携式的数据采集系统。便携式的读写器可以一边 读取数据的同时，一边通过无线数据传输方式向主计算机实时的传输数据，也可 以将数据暂时存储起来，等到完成数据采集以后，再将数据传输给主计算机。 ( 3 ) 物流控制系统，在给定的区域分散配臀固定的射频标签读写器，并且 数据管理系统与读写器直接相连，射频标签一般来说是移动的，粘贴在移动的物 体上面。当带有r f i d 标签进入到读写器的识别i 延域时，射频签上的信息会被读 写器自动扫描识别，扫描之后将返回的数据信息发给数据管理系统进行存储、分 析和处理，从而达到控制物流的目的。 根据系统特性不同也i j 丁以对r f i d 系统进行分类，所有射频识别系统可以按 其数据载体的存储能力、密码功能、作用距离和处理速度分类，可以从低档到高 档构成整个射频识别系统的谱系，如图2 2 所示。 武汉理。i ：人学硕士学位论文 复杂程度 具有密码功能 自身拥有操作系统 有抗碰撞功能 简单系统 481 6 3 2 6 41 2 82 5 6l x2 k4 k1 6 k 3 2 k6 4 kb 图1 - 2 根据系统特性分类 1 4 3r fid 的系统基本模型 射频标签与读写器之间通过天线发射电磁波实现二者的数据交换。射频标签 与读写器是通过电磁耦合的方式通讯的，电磁耦合方式有两种，近距离通过电感 耦合，远距离时通过电磁耦合。射频识别系统的工作过程，始终是通过能量的交 换来实现的，数据的传输是通过一定的时序柬实现的。在空问传输通道中发生的 事件可分为三种事件模型，数据交换通过时序的方式进行的事件模型、为实现数 据交换的事件模型和为提供能量的事件模型。 数据交换通过时序的方式进行的事件模型，时序是指电子标签和读写器之间 的工作次序，一般来讲有两种时序。一种是r f t ( r e a d e r t a l k sf i r s t ) ，另一种是 t t e ( t a g t a l k sf i r s t ) ，这两种时序是读写器防止冲突的协议方式。鼬叮的时序 方式是处于“等待”或“休h 民”状态的电子标签进入读写器的识别区域之内时， 读写器发出一定频率的射频信号将电子标签激活，同时电子标签执行相应的读写 器命令，然后将执行结果返回给读写器。与r f t 方式相反，另一种方式是当电 子标签进入读写器的工作范围之内时能把标签自身的信息发送出去，这种方式叫 做丌f 方式。以1 v r f 为时序工作方式的电子标签被识别的速度相当快，所以经 常将t t f 方式用在快速移动的场合，例如高速公路上的收费系统；此外t t f 方 式在防止噪声和处理动态数据方面也很强，因此可以更适用于工业坏境下的追 踪。 一 为实现数据交换的事件模型，电子标签与读写器之间的数据通信有两种情 形，即读写器向电子标签发送执行和配置命令的数据通信和电子标签向读写器返 回执行结果的数据通信。 9 武汉理i ：人学硕十学何论文 读写器与射频标签之间的数据传输通信是为应用而服务的，数据可以在线写 入射频标签也可以离线写入。读写器与应用系统之间的接口通常有多种，各种接 口的功能各不相同，应用系统可以根据需要，向读写器发送对应的配置命令，读 写器将当前所有可能的读写器配置状态返回给应用系统，应用系统向读写器发送 执行命令，读写器将所有的命令执行结果返回给应用系统。 为了给电子标签提供能量的事件模型，读写器向无源射频标签提供工作所需 要的能量，当无源射频标签不在读写器的工作区域时，由于没有能量激活电子标 签进入休眠状态。当无源射频标签进入读写器射频识别的区域时，射频标签接收 到读写器发出的能量，从而激活r f i d 标签，射频标签通过整流的方式将接收到 的射频能量转化为电能存储在标签的电容罩，为标签提供工作的能量。对于有源 电子标签来说，一直处于激活的状态，与读写器相互作用，因此具有比较远的识 别距离。 1 5 本文的研究内容 本文围绕着如何实现安全性高、自动识别认证以及实时性高的智能门禁系统 来展开设计和丌发，首先是将电子标签作为人身份的载体，然后利用射频识别设 备和计算机等硬件柬构建门禁控制系统，通过软件编程实现对硬件设备的调用和 相互之间的通信，最终实现对射频标签的自动识别和门锁的控制。本文的内容组 织如下： 第l 章，通过对门禁系统的特点、发展趋势和国内外现状的分析和总结，引 出课题的研究目的和意义，介绍了射频识别技术的相关原理。 第2 章，从射频识别系统的组成出发，详细的介绍了射频识别系统主要技术 参数和r f i d 涉及到的关键技术，分析系统的设计要求和设计原则，得出门禁系 统的总体设。 第3 章，论述系统的硬件设计过程， 路设计和实现。 第4 章，论述系统的软件设计过程， 设计和软件协议。 主要介绍门禁系统的各个模块的硬件电 主要叙述门禁系统的各个模块软件流程 第5 章，对论文进行总结，概括本课题的研究内容和研究成果，并展望了未 来r f i d 技术的发展前景。 l o 武汉理i j 人学硕 ：学位论文 第2 章门禁系统的总体方案设计 2 1 射频识别的工作原理 r f i d 是一种易于操控、简单实用且特别实用于自动化控制的应用技术，其 基本原理是利用射频信号耦合( 电感或电磁祸合) 或雷达发射的传输特性，实现 对被识别物体的自动识别。 2 1 1 射频识别系统的组成 射频识别系统是由读写器、射频标签和数据管理系统这三部分组成，如图2 1 所示。其中，射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都具有一个唯一的识别码， 在芯片罩保存为一定格式的数据；读写器是可以非接触的读取和写入标签数据的 设备，可以通过网络与计算机系统通信，获取射频标签的信息进行解码、识别和 数据管理：数据管理系统主要是对数据的存储和管理，并且对电子标签发出读写 控制信号。 读写器电子标签 数 电源 据接控射 管 口 匍频 天 天 。 控制器存储器 线线 理 模模模 i 系 块块块 ， 统 调制器 编码器 时钟 图2 1 射频识别系统的组成结构 读写器是用来读取电子标签的信息和对电子标签执行写操作的设备，可以作 为一个单独的整体，也可以作为嵌入到其他系统之中的一个部件。作为一个整体 的时候读写器可以单独实现数据的读写和处理等功能，也可以和计算机联合一起 完成对射频标签的操作。由于射频标签是非接触性质的，因此必须借助于读写器 来完成数据的读写操作，在射频识别系统中，一般都是通过计算机来对射频标签 进行操作，用计算机来控制写入或者读出射频标签的数据。 读写器的主要功能如下： 武汉理l ：人学硕士学位论文 1 ) 完成读写器与射频标签之问的通信功能，在规定的条件下，读写器可以 和射频标签进行通信。 2 ) 读写器可以通过标准的网络接口( 如r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、以太网接口) 与 计算机之间进行通信，并且提供读写器的电子编码、读写器读出射频标签的实时 时间和读出的射频标签的信息，以实现读卡器在网络中正常运行。 3 ) 能够在读写器工作的区域内同时读写多个射频标签，具备防冲撞的功能。 4 ) 能够校验数据传输过程中的错误信息。 5 ) 对于有源的射频标签，能够识别电池的电量等相关信息。 典型的读写器包括控制射频模块、控制模块、接口模块以及读写器的天线。 许多读写器还有网络接口，可以方便的将获得的数据发送给应用系统或者从应用 系统中接受相应的命令。 读写器正确的接收和解码信息后，读写器通过一定的算法对数据进行校验后 决定是通知发射器停止发送信息还是告诉发射器接收到的信息错误需要进行重 发，这就是读写器与电子标签之| 日j 命令的相应协议，使用这种协议可以在很小的 空间和很短的时间内对多个电子标签同时进行识别，而且还可以有效的防止欺骗 问题的产生。 射频标签又叫应答器或者i d 卡，是r f i d 系统的数据载体，它由耦合元件和 电子标签专用芯片组成，其中芯片模块由存储器、存取控制和射频接口三个部分 组成。每个标签都具有唯一的识别码。电子标签粘贴目标对象上，当读写器查询 时，射频标签把存储的信息发射出去。射频标签可以存储相应人员的一些数据信 息，并且根据需要可以分别进行管理，还可以根据需要的不同制作新的标签，射 频标签中的内容在被改写的同时，也可以永久锁死保护起来【l4 1 。 现在常用的标签一般是有带内存的集成电路组成的，它实际是一个有内存的 微处理器，射频标签的基本任务是读内存、写内存，或者用其他的方式处理内存 中的数据。 根据不同的方式，可以对i d 卡进行分类，根据i d 卡内存属性可分为3 种， 只读、写一次读多次和可读写多次。根据供电方式不同，可以分为有源、无源和 半无源的i d 卡。有源i d 卡其内部有电池，射频标签的电源由电池供给，同时标 签电池的能量供应也部分转换成射频标签与读写器通信所需要的能量。无源射频 标签没有内装电池，只能从读写器产生的电磁场中通过耦合的方式获得电能，一 般用整流的方式将射频能量转换成直流电源并且存储在标签的电容中，无源射频 1 2 武汉理丁大学硕十学位论文 标签具有体积小、重量轻和价格低的优点，但是其工作距离和通信速率都不及有 源射频标签。半无源射频标签介于二者之间，只部分依靠电池来工作【i 5 1 。 数据管理系统的主要任务是对数据的进行存储和管理操作，对射频标签发出 读写控制信号，数据的写入操作一般是离线完成的，也就是说将需要写入标签的 数据在第一次操作的时候就写入标签中，应用时只需要将标签直接粘贴在目标物 体上。当在生产坏境中需要将信息作为交互式数据文件来处理时，一些r f i d 的 应用系统的写数据是通过在线完成的。 读写器是通过天线来与射频标签进行通信的，可以读出射频标签的电子编码 和其内存中的数据以及对标签的写入操作。典型的读写器包括高频部分、控制单 元和天线等模块。 射频识别系统是由射频标签和读写器组成的，最终是为应用服务，来适应各 种各样可能的应用需求，可由应用系统开发工具调用标准的接口函数来实现读写 器与应用系统之问的接口a p i 函数。标准a p i 接口函数的功能包括4 个方面：系 统向读写器发出各种控制命令；读写器向系统返回所有命令执行后的结果；系统 根据需要向读写器发送相关的配置命令；读写器向系统返回所有读写配置的状 态。 射频识别系统的是按照一定的流程来工作的，首先读写器通过发射天线向电 子标签发送一定频率的射频信号，此时进入发射天线的工作范围的电子标签时会 产生一定的感应电流，射频标签通过耦合的方式获取能量，然后把存储在芯片内 的编码信息发送出去，或者电子标签主动向读写器发送一定频率的信号，把电子 标签的电子编码信息发送出去；天线在收到电子标签发送过来的载波信号后传给 读写器，读写器对收到的信号解调和解码，然后将解调后的数据发送给数据管理 系统进行处理：数掘管理系统根据相应的逻辑运算和程序对判断该射频标签的合 法性，之后针对不同的设置做出相对应的处理和控制，并发出指令信号，控制执 行机构动作。 2 1 2 调制方式和能量传递 射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中 的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之问能够可 靠交换数据的距离，射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射频标签和读 写器的配合情况密切相关。射频识别系统包括电子标签、读写器和天线等几个部 武汉理j i j 大学硕士学位论文 分，射频识别系统是通过电磁波来完成的读写器与标签之间的通信的，根据通信 距离的远近不同可以分为近场和远场通信，相应的射频标签和读写器之间的数据 调制方式也不同，在近场区时采用负载调制，而在远场区则采用的是反向散射调 制方式【2 0 】。 在近距离低频段中，读写器与射频标签的能量交换方式是电场与磁场的相互 转换类似于变压器初级线圈与次级线圈的电磁耦合，通过准静态的电场和磁场耦 合来实现数据交换的，在这种情况下的调制方式就叫做负载调制，在1 2 5 k h z 和 1 3 5 6 m h z 的射频识别系统中广泛应用负载调制的方式。当读写器与标签天线之 问的距离较远而数据信号载波的波长又仅有几厘米和几十厘米时，这时就不能通 过负载调制的方式实现数据交换，而是采用的基于雷达空间探测目标的调制方 式，读写器响向空间发射电磁波信号，当遇到标签目标后该电磁波会携带标签的 相关信息返回给读写器，从而实现数据的交换，这种能量的传输方式称为反向散 射调制，在9 1 5 m h z 和2 4 g h z 这种典型的远场射频识别系统中广泛应用。 反向散射调制方式是基于雷达探测空间目标的，首先向周围空间发射电磁波 信号，该电磁波信号在空间可能会遇到各种不同的目标，遇到的目标会吸收一部 分能量，另一部分能量被