（电气工程专业论文）智能大厦中门禁系统的设计.pdf

摘要 摘要 本论文介绍了为某智能大厦开发的基于感应式射频卡的智能门禁系统。智 能门禁系统属于智能大厦安防系统的一个重要组成部分，具有保护人民人身和 财产安全的重要作用，其研究结果具有深远的现实意义。 射频卡识别技术是近几年发展起来的一门新的自动识别技术，它利用射频 方式在射频卡和读卡器之间进行无线双向通信，完成目标识别和数据交换。射 频卡卡具有操作快捷、防碰撞能力强、工作距离远、安全性高等优点，在身份 识别、自动收费和电子钱包等领域有着广阔的市场前景。 论文首先简单介绍了智能门禁系统的组成、功能和国内外发展现状，然后 通过对i c 卡技术的研究，分析了射频卡的工作原理，并对本系统所采用的 m i f a r e l 射频卡的主要指标、存储结构、工作原理及与读写器的通讯进行了分析。 接着阐述了系统的设计原则和设计方案。 论文详细介绍了系统的组成、读卡器的硬件设计和系统的软件开发过程。 读卡器的硬件设计包括微处理模块a t 8 9 c 5 2 、m fr c 5 0 0 接口电路、读卡器天线 电路、r s 4 8 5 通信电路、控制电路及蜂鸣器驱动电路等，重点分析了微处理器 a t 8 9 c 5 2 与m i f a r e l 射频卡专用读写芯片m fr c 5 0 0 之间的接口电路、m fr c 5 0 0 与m i f a r e l 射频卡之间的天线电路、微处理器a t 8 9 c 5 2 与r s 4 8 5 之间的接口电 路等。读卡器的软件部分主要介绍了读卡过程的程序设计，包括询卡、防冲突、 选择卡片、验证等。上位机软件主要介绍了数据库的设计及访问、串口通信程 序的设计、多线程程序的设计等。最后给出了系统的主要操作界面。 随着人民生活水平的提高，智能门禁系统的应用范围将越来越广泛，在保 证人民人身和财产安全、企事业单位的考勤管理、停车场控制等方面将起着越 来越突出的作用。 关键词：射频卡，读卡器，a t 8 9 c 5 2 ，串行通信，数据库 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t sa l li 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 mb a s e do nr f i cc a r df o r i n t e l l i g e n tb u i l d i n g i n t e l l i g e n ta c c e s ss y s t e mi s a r li m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n t s e c u r i t ym a n a g e m e n ts y s t e m t h ei 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 ，t h er e s u l to f r e s e a r c hh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e r f i dt e c h n o l o g yi sai l e wa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y b yb i d i r e c t i o n a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h er fc a r da n dc a r dr e a d e rv i at h er fm o d e ，i tc a n e x c h a n g ed a t aa n di d e n t i f yo b j e c t t h er fc a r dh a v es o m ea d v a n t a g e ，s u c h a so p e r a t e f a s t , s t r o n gf o ri m p a c t , l o n gw o r kd i s t a n c e a n dh i 【g hs e c u r i t y i th a v ew i d cm a r k e t p r o s p e c ti nm a n ya s p e c t ，s u c ha sp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n , a u t o m a t i cc h a r g i n ga n d e - w a l l e t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o n ，f u n c t i o na n dt h ep r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no fi 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 t h r o u g ht h er e s e a r c hi ni cc a r d t e c h n o l o g y , t t l i sp a p e ra n a l y z e dt h eb a s i st h e o r yo f r f i ca n da n a l y z e dt h em a i ni n d e x s t r u c t u r eo fs t o r a g e b a s i st h e o r ya n dc o m m u n i c a t i o n 、i t hr e a d - w r i t e ro fm i f a r e l r f i ct h a tb eu s e di nt h i ss y s t e m a n dt h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h ed e s i g np r i n c i p l e a n dd e s i g ns c h e m e t h i sp a p e rd e s e r i b e di nd e t a i lt h ec o n s t i t u t i o no fs y s t e m ，t h eh a r d w a r ed e s i g no f c a r dr e a d e ra n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs y s t e m t h eh a r d w a r ed e s i g no f c a r dr e a d e ri n c l u d e st h ea t 8 9 c 5 2m i c r o p r o c e s s o rm o d u l e ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i tm f r c 5 0 0 ，t h ea n t e n n ac i r c u i tb e t w e e nt h em fr c 5 0 0a n dm i f a r e la n dt h ei n t e r f a c e c i r c u i tb e t w e e nt h ea t 8 9 c 5 2a n dt h er s 4 8 5 t h es o f t w a r ep a r to fc a r dr e a d e rm a i n l y d e s c r i b et h ep r o g r a md e s i g no fp r o c e d u r eo fc a r dr e a d i n gt h a ti n c l u d et h ei n q u i r i n g c a r d ，a n t i - c o n f l i c t , c h o o s i n gc a r da n dv e r i f i c a t i o n t h es e t b , v a r eo fh o s tc o m p u t e r m a i n l yd e s c r i b e dt h ed a t a b a s ed e s i g na n da c c e s s ，t h ep r o g r a md e s i g no fs e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dt h em u l t i t h r e a dp r o g r a md e s i g n a tl a s t , t h i sp a p e rp r e s e n t st h e m a i no p e r a t i o ni n t e r f a c eo f s y s t e m w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d , t h ea p p l i c a t i o nr a n g eo f i n t e l l i g e n ta c c c s sc o n t r o ls y s t e mw i l lb e c o m ew i d em o r ea n dm o r e a n di tw i l lt a k ei m p o r t a n tr o l ei nw i d cf i e l d s u c ha sp e r s o n a ls a f e t y , p r o p e r t y s a f e t y , a t t e n d a n c em a n a g e m e n ts y s t e mo fe n t e r p r i s ea n di n s t i t u t i o na n dc o n t r o l s y s t e mo f p a r kl o t k e yw o r d s ：r fc a r d , c a r dr e a d e r , a t 8 9 c 5 2 ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , d a t a b a s e l i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 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 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 签字目期：勿秒年心月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 胜 d 签字日期：卿年腔月i 莎曰 导师签河勒， 签字日期：v 1 年f l 月哆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能大厦简介 自1 9 8 4 年世界上第一座智能大厦“都市大厦”在美国康涅狄格州哈特福市 问世以来，智能大厦的发展日益迅猛。所谓智能大厦，是将建筑、设备、服务 和经营四方面，在“以人为本”的基础上，各自优化，相互联系，全面综合并 达到最佳组合，从而获得高效率、高功能与高舒适的建筑物【”。它的构成至少应 具有三大部分：楼宇自动化b a ( b u i l d i n ga u t o m a t i o n ) 、通讯自动化c a ( c o m m u n i c a t i o na n t o m a t i o n ) 、办公自动化o a ( o f f i c ea u t o m a t i o n ) ，统称为 3 a 1 1 【2 】。 智能建筑的出现和发展，是有其技术、经济和社会背景的【1 1 1 2 1 。技术上，近 年来，在微电子、计算机和现代通信技术基础上发展起来的信息技术突飞猛进， 而技术的发展需要寻找新的增长点，需要新的市场，智能建筑就是这样一个信 息技术向传统产业转移的结合点；经济上，一方面信息已成为一种资源，从事 信息产业的“白领”需要智能建筑这种工作场所，另一方面经济全球化的发展 和由此带来的需求，也为智能建筑的建设提供了广阔的买方市场；世界范围的 经济技术合作，各国市场垄断化的打破，大批高科技军工企业转向民用市场等， 都为智能建筑的发展在设备和技术上提供了良好的环境，为智能建筑的建设打 下了坚实、广泛的基础。 美国一直保持着智能建筑业的领先地位，这是由于其在经济和技术上的领 先地位造成的。近年来美国新建和改建的办公大楼中近7 0 是智能化大楼，其住 宅、医院和学校等建筑物也都已装配有先进的智能化系统。日本由于城市拥挤、 地价昂贵、资源短缺等原因，对智能建筑的发展极为热情，进步很快。而西欧 国家虽然在智能建筑技术的发展上基本上与日本保持同步，但由于建筑智能化 对工作效率的提高会直接导致失业的增加，因此其发展受到限制。在亚太地区 的一些中心城市中，一批高标准的智能建筑也陆续建起，印度甚至投巨资准备 建立一座占地4 0 英亩的世界第一个“智慧城”。 智能建筑在我国是一个新生事物，但随着中国经济的高速增长，“三金工程” ( 金桥、金卡、金关) 的实施，智能建筑的发展越来越快。北京京广中心、上海 第一章绪论 花园饭店，天津泰达大厦等都是典型的智能化建筑。同时国家建设部、各地建 委也相继推出一些智能建筑的设计规范、标准和导则等用以推进建筑智能化的 进步。但遗憾的是，目前大多数智能建筑的系统承包商所采用的产品和技术都 是国外的，如霍尼维尔、江森、安普等，国内只有清华同方、天大天财、厦门 立林等少数企业在个别领域有所创建。此外，目前国内对智能建筑的建设开发， 大多仅仅是出于盲目的追求“档次”，而对如何发挥其“智能”，提高建筑物的 运行效率和效果却关心甚少，使建筑的智能化系统只有很少的功能被利用，造 成了投资的浪费。这一情况会随着建筑智能化技术的推广和市场的成熟而改变。 1 2 智能门禁系统简介1 1 i 【3 l t 6 l 智能建筑通过对四个基本元素，即结构、系统、服务和管理进行优化，从 而为用户提供一个高效和具经济效益的工作环境。它在功能上实现了通讯自动 化( c a ) 、办公自动化( o a ) 和楼宇自动化( b a ) ，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、 办公自动化系统和楼宇自动化系统的综合管理。门禁系统又称门禁出入口保安 自动化管理系统，属于楼宇自动化( b a ) 系统部分，它能有效提高管理的层次和 效果，是智能大厦保安系统的一个重要组成部分。 智能门禁系统是在传统门锁的基础上发展而来的，人们通常使用普通门锁 来保护室内财产安全、控制人员进出，这种安防措施始终离不开一把金属钥匙。 但是钥匙多了就繁琐累赘，并且易被复制、丢失、生锈。传统的门锁已经不能 满足现代安防的需要，智能门禁系统在这种背景下应运而生。 智能门禁系统将智能卡与锁有机结合，进而由智能卡代替钥匙，配以电脑， 实行智能管理，有效的解决了传统门锁的多种不足。目前，智能门禁系统已成 为发达国家和地区最主要的安防系统之一，据美国权威机构调查统计结果：美 国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的5 7 8 ，闭路电视监控及其它 报警设备销售总额仅占3 9 2 。 随着人们对门禁系统要求的不断提高，智能门禁系统的应用范围也越来越 广泛。人们对智能门禁系统的应用己不再局限于单一的出入口控制，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、楼宇自控等，还能与其它联动控制设备等一起构 2 第一章绪论 成多种控制功能的系统。 1 2 1 门禁系统组成 门禁系统由控制器、读卡器、电控锁、门磁、开门开关、识别卡和通信管 理器、管理主机和管理软件等组成。系统构成如图1 1 所示。其中控制器、读卡 器、电控锁、门磁、开门开关、识别卡构成基本的门禁控制单元设备。控制器 是门禁系统的核心，由一台微处理机相应的外围电路组成。如果将读卡器比做 系统的眼睛，将电控锁比做系统的手，那么控制器就是系统的大脑，由它来决 定某一张是否为本系统己注册的有效卡，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。 图1 1 门禁系统框图 系统的控制主机可以是p c 机，在组网情况下的拓扑结构一般采用总线结构， 其优点是节点介入方便、成本低、可靠性高等。 控制器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； 并且，主机发送的控制命令，以及门锁的状态和记录信息都经由控制器来传送。 因此，门禁系统的智能化程度也就主要取决于这部分的设计。 门磁传感器则可以反映门的实时状态，通过门磁信号，控制器可以判断是 否是合法开门。如果是非法开门，同时给予相应的报警信号。 电子锁是门禁系统的执行机构，有阴锁、阳锁之分。 按照识别身份技术的不同，可以把门禁系统划分为磁卡门禁系统、非接触 式射频卡门禁系统、指纹门禁系统等。 1 2 2 门禁系统功能 门禁系统功能一般包括： 3 第一章绪论 1 、自动记录人员的进出情况，限制人员的进出区域和进出时间，拒绝不速 之客，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 出人员的信息，包括人员姓名、进入时间和进入的门区位置等等。如果请求进 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 、出现突发事件( 如火灾等) 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；同样，控制器对于非法闯入事件也采 取实时报警并处理。 4 、人员可以向控制中心申请权限，中心批准后可用该卡开指定的门。 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， 并根据需要打印相应的报表。 1 2 3 门禁系统的发展过程 智能门禁系统大致经历了以下几个发展过程【7 】： 第一代门禁系统：单一的键盘输入密码方式。常常会有因忘记密码而被拒 之门外； 第二代门禁系统：接触卡式门禁系统，进一步可分为： 1 ) 磁码卡门禁系统：磁码卡是把磁质贴在塑料卡片上制成的。磁卡可以改 写，应用方便。缺点是易消磁，易磨损； 2 ) 铁码卡门禁系统：铁码卡中间用特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧 的原理制成，不易被复制。铁码卡可有效的防磁，防水，是安全性较高的一种 卡。这种系统虽然有些改进，缺点是如果卡片不小心被弄脏，持卡人员将被拒 之r - j 5 l 。 第三代门禁系统：射频卡即非接触式i c 卡门禁系统。一般指无源i c 卡， 卡片采用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈 在读卡器本身产生的特殊振荡频率，当卡片进入读卡器能量范围时产生共振， 感应电流使电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将接收的信号转换成卡片资 料，送到控制器进行判断、决策。 第四代门禁系统：生物辨识系统，包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识机、 声音识别以及人脸识别装置等。这些门禁通常用于对安全性要求较高的出入口 控制系统，视网膜辨识机和声音辨识装置在正常情况下安全性极高，但若视网 4 第一章绪论 膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使用。 以上几代门禁系统中，磁码卡价格便宜，仍被使用，铁码卡和射频卡保安 性能好，在国外比较流行，生物辨识技术安全性极高，价格也高，一般应用在 军政要害部门或银行黄金库等场所。射频卡门禁系统因为其优良的性能，合适 的价格，是目前智能门禁系统中应用最为广泛的一种。 1 2 4 门禁系统的国内外现状1 6 1 1 8 1 门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门禁系统的知名 品牌有美国的休斯( h i d ) 、西屋( w s e ) 、洛泰克( n t k ) ，以色列的d d s 、英国的 集宝等品牌。国内从事门禁系统有捷顺、北京青云等公司。目前，国内外研制 和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。在生物识别 门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。随着计算机图像处理和模式识别 理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别系统的体积不 断缩小，其价格也将不断降低低。 生物特征识别技术将会更加注重安全性、便携型、精确性、鲁棒性和可用 性。核心算法研究方面，在指纹识别技术研究继续深入的同时，面像、虹膜识 别技术也将会加速发展，新式的识别技术，如静脉识别等，也会不断产生。 1 3 课题背景及意义 随着经济的发展，城市面貌发生了巨大的变化，高楼大厦拔地而起，随之 也产生了不少安全隐患，利用高科技手段犯罪的行为日益增多。怎样才能使人 们的安全防范措施跟得上科技的发展，并且更有效的阻止犯罪行为呢? 仅仅靠传 统的门锁和防盗门是远远不够的。智能门禁系统应运而生，它的出现打破了传 统的“保安+ 铁锁”的防护方式，给都市生活增添了风采。 智能门禁系统属于智能弱电系统中的一个安防系统。现代建筑物内的主要 管理区、出入口、设备控制中心机房、贵重物品的库房等特定区域的通道口都 需要加强安防工作，为了科学地管理特定区域场所的出入权限，及时、准确地 监控被管制区域出入情况，辅助工作人员监控异常情况的发生，防止各种人为 的失误，建立一套现代化的智能门禁监控管理系统是必不可少的。 原始的保安管制措施就是把门锁上，由专人巡逻看守以保证安全，随着科 技的发展，智能化的门禁监控已是现代化管理的重要手段之一。建立一个全方 5 第一章绪论 位、多层次、立体化及高效率的监控信息管理系统己成为智能建筑中信息化管 理的一项重要内容，而门禁监控管理系统是该信息化管理不可缺少的重要组成 部分。 在这种背景下，本课题介绍智能建筑的安防系统的一个重要部分智能 门禁系统。智能门禁系统作为保证公民人身和财产安全的重要手段，其研究结 果具有深远的现实意义。 1 4 本论文拟解决的关键问题 本论文主要要解决的问题是：根据用户要求确定智能门禁系统的总体设计 方案；分析射频卡读写的方法从而设计射频卡读写器，实现射频卡的读写及对 门控设备的实时控制；在上位机开发门禁管理软件完成对射频卡权限的管理及 各门控设备的实时监控，同时向管理人员提供实时的和历史的人员出入记录； 研究通信协议，设计读卡器与上位机之间的通信程序。 射频卡采用p h i l i p s 公司的m i f a r e l 射频卡。射频卡读卡器采用a t 8 9 c 5 2 单 片机、p h n i p s 公司的高集成读卡芯片r c 5 0 0 、m a x i m 公司的串口通信芯片 m a x 4 8 5 及x i c o r 公司的“看门狗”定时器x 5 0 4 5 相结合完成硬件设计，读写 器软件采用c 语言( k e i l 公司的c 5 1 ) 设计。由于射频卡写卡器的硬件结构与 读卡器的硬件结构完全相同，软件基本类似，所以本论文不作介绍。 上位机软件用i n p r i s e 公司( 原b o d a n d 公司) 的面向对象的程序设计语言 d e l p h i7 开发，数据库采用m i c r o s o f t 公司的s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库管理系统， 数据库访问采用a d o 。 上位机与读写器之间采用m o d i c o n 公司的m o d b u s 串行通信协议进行串 行通信。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要研究某智能大厦中基于感应式射频卡的门禁监控管理系统，主 要包括：确定智能门禁系统的总体方案，设计射频卡读写器，开发门禁管理软 件及设计读卡器与上位机之间的通信程序等。系统具有较好的实时性、安全性 和可扩展性。 本论文共分5 章，主要内容如下： 6 第一章绪论 第一章主要介绍了门禁系统的组成、功能、发展过程和国内外现状，介绍 了本课题背景及要解决的关键问题。 第二章在介绍智能卡的基础上介绍了智能门禁系统的设计原则、设计依据， 本智能门禁系统的基本功能、设计方案几采用的通信协议等。 第三章介绍了射频卡读卡器的硬件设计，包括读卡器射频模块接口电路设 计、天线的设计、通信模块的设计及看门狗设计等。 第四章介绍了射频卡读卡器的软件设计，包括读卡器主程序介绍的设计和 读卡程序的设计。 第五章介绍了门禁系统的上位机程序设计，包括系统的软件开发环境、设 计目标、数据库设计、通信程序设计、多线程技术的应用等。 在文章的最后，对本论文所做的工作做了一个全面总结和展望。 7 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 2 1 射频卡简介 i c 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 又称集成电路卡或智能卡，i c 卡是在较为原 始的磁卡的基础上发展起来的，大致经过了从接触式i c 卡( 如存储卡、加密存储 卡、c p u 卡) 到非接触式的射频卡的发展阶段。我国目前使用的多是接触式i c 卡【9 】。 接触式i c 卡使用时要将其插入读卡机中，通过表面电极触点的物理接触来 实现数据的传递，具有触点磨损、污染及插卡不便等缺点；射频卡在使用时只 要靠近读卡机即可，卡片和读卡机通过无线电波或电磁场感应的方式进行信息 传递，射频卡继承了接触式i c 卡的容量大、安全性高等优点，同时也克服了以 接触方式i c 卡的缺点，使射频卡的使用更加自由，应用更加广泛1 9 1 1 0 l 。 非接触式i c 卡又叫射频卡，是9 0 年代初发展起来的新技术。射频卡由感 应天线、控制芯片、存储单元组成，并完全密封在一个标准p v c 卡片中，无外 露部分。射频卡本身是无源体，当读写器对射频卡进行读写操作时，读写器发 出的射频信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与 其本身的l c 产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作，另一部分则经解调 后，控制芯片完成密码验证、数据的读取、修改、存储等，并返回给读写器。 射频卡成功地将射频识别技术和i c 卡技术结合起来，解决了无源和免接触的难 题；射频卡无需专门的供电电源，它与读写器间无机械接触，避免了接触故障； 它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题；射频 卡使用时没有正反面，而且射频卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特 点，由射频卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是软件控制的操作过程 较之接触式i c 卡都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件和网络支持 可在很多领域得到应用【l l j 【1 2 j 。 本设计中采用的射频卡为m i f a r e l 射频卡，其核心是p h i l i p s 公司的m i f a r e l 1 ( 2s 5 0 ( - 0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ) 系列微芯片。卡片上无源，工作时的电源能量由卡片 读写器天线发送无线电载波信号祸合到卡片上天线而产生电能，一般可达2 v 以 上，供卡片上i c 工作。工作频率1 3 5 6 m h z 。m i f a r e l 射频卡所具有的独特的 8 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 m i f a r er f ( 射频) 非接触式接口标准已被制定为国际标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p e a 标准【1 3 】【1 4 】。 m i f a r e l 芯片内建有高速的c m o se e p r o m m c u 等。卡片上除了i c 微晶 片及- - n 高效率天线外，无任何其他元件。m i f a r e li c 射频卡上具有先进的数据 通信加密和双向验证密码系统，具有唯一的射频卡系列号，且具有防重叠功能， 能在同一时间处理重叠在射频卡读写设备天线有效工作距离内的多张重叠的射 频卡【15 1 。 2 1 1m i f a r e l 的主要指标 容量为8 k 位e e p r o m 分为1 6 个扇区，每个扇区为4 块，每块1 6 个字节，以块为存取单位 每个扇区有独立的一组密码及访问控制 每张卡有唯一序列号，为3 2 位 具有防冲突机制，支持多卡操作 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 数据保存期为1 0 年，可改写1 0 万次，读无限次 工作温度：2 0 c - 5 0 c ( 温度为9 0 ) 工作频率：1 3 5 6 m h z 通信速率：1 0 6 k b p s 读写距离：1 0 m m 以内( 与读写器有关) 2 1 2m i f a r e l 的存储结构 m 1 卡分为1 6 个扇区，每个扇区由4 块( 块0 、块1 、块2 、块3 ) 组成，( 我 们也将1 6 个扇区的6 4 个块按绝对地址编号为o 3 ，存贮结构如下所示： 9 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 扇区0 扇区l 扇区1 5 块0 块1 块2 块3 块0 块1 块2 块3 黪搿懋 薹l 篱辫攀黪黪缀黪翳鬻攀黧l l 篓黪攀黪戮 蒸鬻簇l 臻s 鬻蠛i 鹣豢；鳞羹糕：霪酝黧辚i 黪镱懑 鍪凌瓣：缀i 藤灞灞穗囊糕l 瓣餮黪t 疆灞 。密码a 存取控制密码b ， 密码a存取控制密码b 数据块 数据块 数据块 控制块 数据块 数据块 数据块 控制块 数据块 6 0 数据块 6 l 数据块 6 2 控制块 6 3 1 第0 扇区的块0 ( 即绝对地址0 块) 用于存放厂商代码，已经固化，不 可更改。 2 每个扇区的块0 、块l 、块2 为数据块，可用于存贮数据。 数据块可作两种应用： 用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。 用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。 3 每个扇区的块3 为控制块，包括了密码a 、存取控制、密码b 。具体结 构如下； 密码a ( 6 字节)存取控制( 4 字节) 密码b ( 6 字节) 4 每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的 密码及存取控制。存取控制为4 个字节，共3 2 位，扇区中的每个块( 包括数据 块和控制块) 的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个 块都有相应的三个控制位，定义如下： 块0 ：c i oc 2 0c 3 0 块1 ：c 1 1c 2 1c 3 l 1 0 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 块2 ： c 1 2c 2 2c 3 2 块3 ：c 1 3c 2 3c 3 3 三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问 权限( 如进行减值操作必须验证k e y a ，进行加值操作必须验证k e y b ，等等) 。 三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0 为例： 对块0 的控制： b i t765432l0 字节6 字节7 字节8 字节9 c 2 0bc 1 0b c 1 0 c 3 0b c 3 0c 2 0 ( 注：c 1 0 _ b 表示c 1 0 取反) 存取控制( 4 字节，其中字节9 为备用字节) 结构如下所示： b i t7654321o 字节6 字节7 字节8 字节9 c 2 3c 2 2c 2 1c 2 0c 1 3 c 1 2c 1 1c 1 0 bbbb bbbb c 3 3 c 3 2c 3 lc 3 0 c 1 3c 1 2c 1 lc 1 0 bbb b c 3 3c 3 2c 3 1c 3 0c 2 3c 2 2c 2 1 c 2 0 ( 注：j 表示取反) 5 数据块( 块0 、块l 、块2 ) 的存取控制如下： 控制位( x ：0 2 )访问条件( 对数据块0 、1 、2 ) d e c r e m e n t , c l xc 2 xc 3 x r e a dw r i t ei n c r e m e n t t r a n s f e r , r e s t o r e o o o k e y a i b k e y a i bk e y a i bk e y a l b olo k e y a i b n e v e rn e v e rn e v e r lo0 k e y a i bk e y b n e v e rn e v e r ll0 k e y a i b k e y bk e y bk e y a i b ool k e y a i b n e v e r n e v e r k e y a i b 0ll k e y bk e y b n e v e rn e v e r l o lk e y b n e v e rn e v e rn e v e r ll l n e v e rn e v e rn e v e rn e v e r 例如：当块0 的存取控制位c 1 0c 2 0c 3 0 = - 100 时，验证密码a 或密码b 正确后可读；验证密码b 正确后可写；不能进行加值、减值操作。 6 控制块块3 的存取控制与数据块( 块0 、l 、2 ) 不同，它的存取控制如 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 下： 密码a存取控制 密码b c 1 3 c 2 3c 3 3r e a dw r i t er e a dw r i t er e a d w r i t e 0oon e v e r k e y a i bk e y a i b n e v e r k e y a i b k e y a i b olon e v e rn e v e r k e y a i b n e v e r k e y a i b n e v e r 100 n e v e r k e y bk e y a i b n e v e rn e v e r k e y b 11on e v e r n e v e r k e y a f b n e v e rn e v e rn e v e r 0oln e v e r k e y a bk e y a 旧k e y a i b k e y a i b k e y a i b 0 1ln e v e r k e y bk e y a l bk e y b n e v e r k e y b loln e v e rn e v e r k e y a i bk e y b n e v e rn e v e r llln e v e rn e v e r k e y a i b n e v e rn e v e rn e v e r 例如：当块3 的存取控制位c 1 3c 2 3c 3 3 = 100 时，表示： 密码a ：不可读，验证k e y a 或k e y b 正确后，可写( 更改) 。 存取控制：验证k e y a 或k e y b 正确后，可读、可写。 密码b ：验证k e y a 或k e y b 正确后，可读、可写。 2 1 3m i f a r e l 的工作原理 m i f a r e l 卡的电气部分只由一个天线和a s i c 组成。 天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到i s 0 卡片中。 a s i c ：卡片的a s i c 由一个高速( 1 0 6 k b 波特率) 的射频接口，一个控制 单元和一个8 k 位e e p r o m 组成。 工作原理：读写器向m 1 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个l c 串 联谐振电路，其频率与讯写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，l c 谐振电 路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导 通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取 读写器的数据。 2 1 4m i f a r e l 卡与读写器的通讯 1 复位应答( a n s w e rt or e q u e s t ) m i f a r e l 卡的通讯协议和通讯波特率是定 义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯， 从而确定该卡是否为m 1 射频卡，即验证卡片的卡型。 2 防冲突机制( a n t i c o l l i s i o nl o o p ) 当有多张卡进入读写器操作范围时， 防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次 选卡，该过程会返回被选卡的序列号。 1 2 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 3 选择卡片( s e l e c tt a g ) 选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量 代码。 4 三次互相确认( 3p a s s a u t h e n t i c a t i o n ) 选定要处理的卡片之后，读写器就 确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就 可以通过加密流进行通讯。( 在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校 验。) 5 对数据块的操作对数据块的操作有：读、写、加、减、存储、传输和 中止等。 读( r e a d ) ：读一个块； 写( w r i t e ) ：写一个块； 加( i n c r e m e n t ) ：对数值块进行加值； 减( d e c r e m e n t ) ：对数值块进行减值； 存储( r e s t o r e ) ：将块中的内容存到数据寄存器中； 传输( t r a n s f e r ) ：将数据寄存器中的内容写入块中； 中止( h a l t ) ：将卡置于暂停工作状态； 2 2 智能门禁系统概述 智能门禁系统是对出入口通道进行管制的系统，该系统控制各类人员的出 入以及他们在相关的活动区域 6 1 。其控制的基本原理是：按照人的活动范围，预 先制作出各种层次的卡或预定密码。在相关的大门、档案室门等处安装读卡器， 持卡者把自己的卡片放到读卡器上识别，读卡器把读到的卡号等信息发送到计 算机，经计算机判断，如身份符合，门锁就开启，否则就报警。通过门禁系统， 可有效控制人员的活动。 2 2 1 智能门禁系统的设计原则 智能门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，在经济发达国家的智 能大厦及酒店、银行、监狱等得到了广泛应用，特别是由于系统本身具有隐蔽 性、及时性等特点，其应用领域越来越广泛。智能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，系统的设 计应遵循下列原则： l 、实用性智能门禁系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。如果片 1 3 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需要偏离太远。因此，系统 的实用性是首先应遵循的第一原则。 2 、实时性如果智能门禁系统中任何一个关键系统出现差错或停机将直接 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n o n - s t o p ( 不 停机) 系统，以保证工作正常运行。 3 、完整性一个完整的智能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 、系统的安全性智能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，不易被劫获和窃取等方 面。 5 、可扩展性智能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，亦即：可灵活增 减或更新各个子系统，满足不同时期的需要，保持长时间领先地位，成为智能 建筑的典范。 系统设计时，对需要实现的功能进行了合理配置，并且这种配置是可以改 变的，设置甚至在工程完成后，这种配置的改变也是可能的和方便的。系统软 件根据需求进行相应的升级和完善。 6 、易维护性智能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。从计算机的配置到系 统的配置，都充分仔细地考虑了系统可靠性。在做到系统故障率最低的同时， 也要考虑到即使因为意想不到的原因而发生问题时，保证数据的方便保存和快 速恢复，并且保证紧急时能迅速地打开通道。整个系统的维护是在线式的，不 会因为部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。 2 2 2 系统设计依据 在智能大厦的楼宇自动化系统中，门禁系统属于其中的保安子系统，其设 计及工程安装均须依据一定的规范，主要的设计规范有如下几个： 1 国际综合布线标准1 5 0 i e c l l 8 0 1 ； 2 民用建筑电气设计规范j g j 厂r1 6 _ 哆2 ； 3 中华人民共和国安全防范行业标准g a t 7 4 - - 9 4 ； 1 4 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 4 中华人民共和国公共安全行业标准g a t 7 0 - - 9 4 ； 5 监控系统工程技术规范g b 5 0 1 9 8 9 4 。 2 3 本智能门禁系统的设计方案 根据要求，本智能门禁系统主要设计目标是，设计一种具有对人员进出进 行授权、记录、查询和统计等多种功能的智能门禁控制及管理系统，既能方便 内部人员的自由出入，又能杜绝外来人员随意进出，提高智能大厦的安全防范 能力。设计要求本智能门禁系统既能够单机运行( 只有一个读卡器，可控制最 多8 个门) ，又能够组网运行( 最多9 9 个读卡器) 。单机运行框图如图2 1 所示。 组网运行框图如图2 2 所示，由于通信协议中使用两位数字( b c d 码) 表示控 制器地址，所以最多可接9 9 个读卡器( o 号为发卡器) 。 图2 1 革机运行框图 门禁系统由五部分组成：计算机及门禁管理软件、r s 2 3 2 - 4 8 5 转换器、射频 卡读卡器、射频卡发卡器、控制器以及电控锁等组成，其中计算机与射频卡读 卡器