（机械电子工程专业论文）基于射频识别技术的门禁系统研究与设计.pdf

摘要 本文以开发基于射频识别技术的门禁系统为目标，研究了门禁系 统中的关键技术及其应用，包括了门禁系统软硬件设计、天线设计、 数据安全性分析、系统抗干扰性设计等。所开发的门禁系统已投入使 用并获得好的效果。 主要的研究内容和工作： i ) 以m fr c 5 0 0 为核心，结合a t 8 9 c 5 2 、液晶屏、x 5 0 4 5 等设计 了一套门禁系统，其中包括了读写器、液晶屏、键盘接口等软 硬件的设计，并在现场对该门禁系统进行调试和优化； 2 ) 系统的对m fr c s 0 0 芯片的操作流程进行研究，并使用c 5 1 语 言开发了读写器的底层控制软件，并把对卡的不同的操作编成 子程序模块，方便系统升级； 3 ) 对r s 一4 8 5 方式的多机通讯进行研究，并制定了门禁系统与 p c 机的通讯协议，同时使用d e l p h i 编制了简易的串口调试程 序，实现了将p c 机的管理信息、应用数据等下载到读写器和将 读写器的相关记录上传到p c 机。后来厂家技术人员编制上位机 程序就是在这部分程序上扩展而成的； 4 ) 对适用于短波射频系统的小环天线进行了研究，分析了各种 参数对天线性能的影响，并基于该研究对天线进行设计和优化， 最后通过实验验证了天线优化的效果； 5 ) 对系统的数据信息安全性进行了分析，分析了3 d e s 加密和解 密算法的性能，最后使用汇编语言实现的3 d e s 加密解密算 法。 关键字：门禁系统，射频识别技术，m fr c s 0 0 ，d e s 加密解密算法 a b s t r a c t a i m e da tt h ed e v e l o p m e n to fae n t r a n c eg u a r ds y s t e mb a s e do n r a d i of r e q u e n c ei d e n t i f i c a t i o n ，t h ea r t i c l ec o n d u c t e dar e s e a r c hi ns o m e s t r a t e g i e so f e n t r a n c eg u a r ds y s t e mt h e o r i t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i n c l u d e d h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m 、d e s i g na n do p t i m i z a t i o n o f t h ea n t e n n a ，d a t as e c u r i t yo fs y s t e m ，a n t i i n t e r f e r e d e s i g n o ft h e s y s t e m a e n t r a n c e g u a r ds y s t e m w a s d e v e l o p e d b a s e do nt h e r e s e a r c h e s h o w e v e rag o o di n f l u e n c ei sr e c e i v e d m a i nr e s e a r c ha n dj o b ： 1 ) r e g a r dm fr c 5 0 0a st h ec o r e ，c o m b i n e da t 8 9 c 5 2 ，l c d ， x 5 0 4 5e t ct od e s i g nas e to fe n t r a n c eg u a r ds y s t e m ，i n c l u d e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f p c d ，l c d ，k e y b o a r di n t e r f a c e e t c ，f i a n l l yd e b u g e da n do p t i m i z e dt h i ss y s t e ma tt h es c e n e ； 2 ) r e s e r c h e s t h e o p e r a t i n gp r o c e d u r e o fm fr c 5 0 0 s y s t e m i c a l l y , a n dd e v e l o p e dt h eb a s e l e v e ls o f t w a r eo fp c d u s e d c 51l a n g u a g e ，t h e np u ti ti n t od i f f e r e n ts u b p r o g r a mm o d e l sd u e t ov a r yo p e r a t e st oc a r d sw h i c hi sb e n e f i t ss y s t e m u p d a t i n g ； 3 ) r e s e r c h e sm u f f c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nb a s e do nr s 一4 8 5 ，t h e n e s t a b l i s h e dac o m m u n i c a t ep r o t o c o la n dd e v e l o p sas i m p l e s e r i a l c o m m u n i c a t i o n d e b u g i n gt o o lu s e dd e l p h i ，w h i c hr e a l i z e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ca n dt h es y s t e m 4 、r e s e r c h e st h es m a l ll o o pa n t e n n as u i t a b l ef o rr a d i os y s t e mo f t h e s h o r t w a v e ，a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e a f f e c to f a n t e n n a s p a r a m e t e r s ，t h e nd e s i g n e sa n do p t i m i z e st h ea n t e n n a ，w h i c ha r e t e s t e db yae x p e r i e m e n t ； 5 ) a n a l y s e st h ed a t as e c u r i t yo fs y s t e ma n dt h ep e r f o r m a n c eo f 3 d e sc o d e d e c o d ea r i t h m e t i c ，f i n a l l yr e a l i z ei tw i t ha s s e m b l e l a n g u a g e k e yw o r d s ：e n t r a n c eg u a r ds y s t e m ，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 n ， l v i fr c 5 0 0 ，3 d e sc o d e d e c o d ea r i t h m e t i c 中南大学硕士研究生论文 第一章绪论 随着经济水平的高速发展，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0 1 ，以智能卡来控n f 7 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。本章主要介绍射频识别技术和门禁系统的基本概 念及其研究发展概况。 1 1 射频识别技术简介 射频识别技术( r e d i of r e q u e n c ei d e n t i f i c a t i o n ：r f i d ) 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r f i d 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。 和同期或早期的接触式识别技术不同，r f i d 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i c 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，r f i d 系统可在更广泛的场合中应用。 1 1 1 射频识别系统的典型结构 射频识别系统的典型结构见图卜l ，生要是由两部份组成：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e e p r o m 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。射频卡有无源卡与有源卡两种，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 中南大学硕士研究生论文 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。 读写器射$ 瑟卡 图1 - 1r f i o 系统典型结构 我们用图1 - 2 来说明r f i d 系统的工作过程，这个例子是无源系统，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。系统的 工作过程如下： 1 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功 率、工作频率和天线尺寸。 2 射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整流 后给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。 3 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 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。 4 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。 5 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 性，然后进行处理，必要时可以通过r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ，r j 4 5 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。 中南大学硕士研究生论文 的。 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 读q 潞 射颓卡 图卜2 射频识别系统原理图 1 1 2r f i d 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，目前主要有以 下几种：光符识别技术( o c r ) 、磁字符识别技术( m i c r ) 、磁性条识别技术( m b r ) 、 机器视觉系统( n i v s ) 、条码识别技术、i c 卡识别技术及射频识别技术。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f r r 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s e r 表 示。 o c r 技术由于f r r 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，i c 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。 表卜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。i c 卡的价格 稍高些，数据存储量很大，数据可以加密，安全性好，但是由于它的触点暴露在 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 中南大学硕士研究生论文 操作快捷、方便。 袁1 1 几种射频识别技术的区别 信息载体 信息 读读取 保密智能 环境适寿命 i s o 成 量写性方式性化应能力标准 太 条码纸、塑料薄小只读c c d差无差较短有最 膜、金属表面或激低 光束 扫描 磁性磁性物质一般读电磁一般无较差短有低 条写转换 i ce e p r o m 大读电擦最好有好 长 有，较 卡 写 处不全 高 r f i de e p r a m 大读无线最好有很好最长有较 写通讯 高 1 2 门禁系统简介 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彳亍登记放行。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i c 卡的门禁管理， 最后到现在的非接触式i c 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。 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、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 4 中南大学硕士研究生论文 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。 下面从功能及结构组成上简单介绍一下门禁系统的概况。 1 2 1 禁系统的功能 门禁系统的一般功能是”1 ： ( 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。 1 2 2 门禁系统的典型构成 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、开门开关、识别 卡构成( 如图卜3 所示) 。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。 系统的控制主机可以是工控机也可以是p c 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。 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 中南大学硕士研究生论文 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。 图i - 3 典型门禁系统的构成 读写器的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 ： 1 ) 非接触式i c 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i c 卡提供稳定的电源和时钟信号： 3 ) 实现与i c 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p h i l i p 公司的m fr c 5 0 0 ，该芯片是p h i l i p 公司的最新产品，比以往的射频识别芯片具 有更好的性能。 门磁传感器则可以反应门的实时状态，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，同时给与相应报警信号。 电子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i c 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。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外现状 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 中南大学硕士研究生论文 段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的h i d 公司、h l - d a l a 公司、德国的d e s t e l e 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n o r t h e r nc o m p u t e r 公司、c s i 公司。随着其产业化的形成，各大专业公 司由于其财力的雄厚、技术的先进、市场的先导以及专业人员的积累，垄断势头 不断呈现出来。同时，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，因而使其供购买的价格相对于收入来说，已经进入i 0 0 0 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。 其中美国西屋门禁系统是较突出的代表，西屋门禁以其强大的系统功能以及 无与伦比的稳定性享誉全球。在全世界，西屋有3 0 0 多个代理商8 0 0 多个支持点， 分布在7 6 个国家。西屋的客户来自于世界各地的许多领域，包括工商企业、电 信公司、教育部门、政府机构、娱乐事业及军事保卫部门等。目前已有6 0 0 0 0 套 系统在全世界使用，无论是国际还是国内，门禁最大项目均采用西屋品牌。正是 西屋产品优秀的质量和性能使它得到全世界客户的使用和认可。下面介绍西屋门 禁的特点。 i ) 稳定性极强 “稳定”是西屋产品设计制造的根本原则。1 ，全球6 0 0 0 0 套系统的长期无故障 运行使西屋的稳定得以充份证实，并在行业内得到高度认可，成为大系统及重要 领域应用的首选品牌。在硬件方面，从控制器、控制器i 0 扩展板、读卡器全部 为西屋产品，从而确保整个系统无缝集成。并且无论在设计、原器件选择及设备 出厂前的测试，西屋都有其严格的标准及程序，以确保每一个用户能够放心、省 心、安心地使用西屋门禁设备，并充份体会到其无与伦比的稳定性。西屋所有设 备的制造工艺及原器件设计选择都符合工业最严格的标准，已通过美国u i 认证， 荣获国际工业设计大奖。控制器内嵌3 2 位i n t e l 处理器，自带f l a s h 存储器，具有 强大的信息独立处理与储备功能，为系统提供稳定、快速、精确的控制，可脱机 独立运行。西屋系统的硬件连接方式，从控制器、扩展板、读写器均采用工业上 先进稳定的4 8 5 总线方式。基于v i n d o w sn t 、2 0 0 0 、u n 5 x 操作系统上运行的系统 管理软件，具有稳定合理的数据库结构设计，与硬件之间，采用实时轮询方式， 保持及监测硬件的时时通讯连接及询址，完成数据的完整性、可靠性、一致性。 软硬件的综合，缔造并验证了西屋门禁系统卓越的稳定性。 2 ) 卓越的兼容性 西屋具有强大的研发机构，致力于系统产品连续性、兼容性的研发。基于西 屋用户不用重复投资就能使用西屋最先进的门禁系统，只要通过软硬件的升级， 中南大学硕士研究生论文 在原有设备基础上，即可完成系统升级和扩容，实现同一系统新老设备并容使用， 且保证与将来的产品保持连惯。对于原非西屋用户，也不必更换原有设备，西屋 产品兼容所有含有维修协议的外围设备。 3 ) 抗破坏能力强 先进的工业设计，使得西屋设备对温度、湿度的要求比较底；对电磁波、雷 电有较强的抗干扰能力；自带防拆报警装置。 4 ) 灵活的扩展性 西屋产品采用模块化设计，通过更换芯片即可基于2 门控制器扩展至4 、8 、 1 6 门，随着企业规模的扩大系统扩容，无需重新布线，可利用总线方式的优势， 在总线末端实现系统扩展。 5 ) 强大的软件管理功能 服务器和客户端的集中、分散管理，可满足用户的不同需要。软件实时检测 整个系统并提供考勤、巡更功能：系统实现c c t v 、报警、消防联动等功能：在 大系统应用中，可实现网络分级管理功能。 6 ) 安防管理功能 西屋门禁系统在实现门禁功能的同时，还实现安防管理功能，西屋所有硬件 设备自带地址码，通过预先设置，在出现突发状况时，可控制全部或分组硬件设 备的状态，近而实现布防、撤防功能，大大提高用户的使用安全性。 7 ) 图文接口、操作容易 系统具有高度的成熟性，为便于用户应用，西屋具有完整的服务体系，用户 通过培训，一般工作人员都能熟练操作该系统。 1 3 2 国内研究现状 ， 在亚洲和中国，门禁系统分别处于成长期和初始阶段。1 。大众对门禁系统的 了解还只停留在认识教育和试用阶段。这在门禁系统的设计与制造过程中主要体 现为以下几点： 1 ) 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： 2 ) 对国外已有的系统进行仿造； 3 ) 产品单一、开发成本较高； 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。第二中方法是，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 中南大学硕士研究生论文 功能，且价格也比较便宜。 而在系统的结构，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，在根据信号来决定是否开 门。这些门禁系统大致有以下几个特点： 1 ) 高性能 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，因此 其性能很高。但是高性能的代价是高价格。 2 ) 强大的功能 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i c 项目；可管理的人员多，像 美国西屋门禁最多可同时管理个1 0 万人的企业。 3 ) 可升级性强 由于系统的是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，这 要对系统的某一部分升级，再组装即可。 4 ) 成本高 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，这是 国内很多中小型厂家不能接受的。 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，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。 1 4 课题研究的目的与内容 本系统是温州万马电子有限公司委托开发的，主要是面向中小型企业应用。 根据要求及现场的实地情况，我们设计了一套以a t 8 9 c 5 2 为核心，基于m fr c 5 0 0 读写器、门磁传感器、电锁等作为外围部件的门禁系统设计方案。 在产品的选用上则依据产品的质量、性能及价格为第一原则。在系统设计上 采用统一的技术规范及通信格式，将所有的系统有机地集成一起，其系统与系统 之间可相互通信，数据共享，使其构成一个高度自动化的保安管理系统。同时要 考虑到所采用的系统设备不但在日后运行时起到对外防范作用，系统本身也具有 自身防破坏报警功能，并且可长时间可靠运行。 本门禁系统的设计初衷是面向i 0 0 0 人一下的小单位。而且只要对单门进行 控制，但必须留有接口，方便以后开发成“一卡通”。基于以上的考虑，本系统 9 中南大学硕士研究生论文 主要以价格低、性能稳定为出发点进行方案设计。在此基础上对门禁系统的关键 技术，如射频识别读写器性能优化、系统数据安全性、系统稳定性与抗干扰性等 进行研究。这些技术对以后的射频识别技术的应用以及门禁系统的设计具有一定 的参考意义。 中南大学硕士研究生论文 第二章门禁系统软硬件设计与研究 2 1 系统总体方案设计 2 1 1 系统设计的原则 门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，在早期，一些经济发达的国 家就已经应用于科研、工业、博物馆、酒馆、商场、医疗监护、银行、监狱等， 特别是由于系统本身具有隐蔽性，及时性等特点，在许多领域的应用越来越广泛。 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： 1 系统的实用性 门禁系统的内容应符合实际要求，不能华而不实。如果片面追求系统 的超前性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。因此，系统的实用 性是首先应遵循的第一原则。 2 系统的实时性 如果门禁系统中任何一个关键系统出现错误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。1 ，以保证工作正常运行。 3 系统的完整性 一个完整的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 系统安全性 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，不易被劫和窃取等方面。 5 系统可扩展性 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，即：可灵活增减或更新 各子系统，满足不同时期的需求，保持长时间领先地位，成为智能建筑的 典范。 6 系统易维护性 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。而且维护过程中无需使用过多 专用的维护工具。 中南大学硕士研究生论文 门禁系统在设计时结合目前国内外的实际应用水平，使系统建成后能立即得 到充分的利用。采用合理的投资而得到最佳的效果。这体现在三个方面： 1 ) 在满足功能性和可靠性的前提下，初期的总投资要尽可能少。 2 ) 系统运行后的管理和维护费用少。 3 ) 系统在未来进行更改或搬迁以及改造升级时需要少量资金便可达成。 2 1 2 系统设计依据与规范 1 系统设计依据 本门禁系统的设计初衷是面向1 0 0 0 人一下的小单位的门禁系统管理。而且 只要对单门进行控制，但必须留有接口，方便以后开发成“一卡通”。基于以上 的考虑，本系统主要以价格低、性能稳定为出发点进行方案设计。 2 系统设计规范 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i s o i e c l1 8 0 1 2 ) 民用建筑电气设计规范j g j t1 6 9 2 3 ) 中华人民共和国安全防范行业标准g a t 7 4 - 9 4 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 1 3 系统方案 本文所介绍的基于m fr c 5 0 0 射频识别系统门禁系统是以射频识别读写器为 霉篁卜 锁触点i 量输入 卧 处理器 a t 8 9 c 5 2 讳 图2 - 1 系统的总体结构图 1 2 中南大学硕士研究生论文 核心，再增加门锁继电器以及其他一些辅助器件而组成的系统。系统的工作原理 是先由微处理器a t 8 9 c 5 2 控制射频识别读写器读取非接触式i c 卡的信号，接着， a t 8 9 c 5 2 根据所得数据输出四个开关量信号( 门阀继电器有两个，分别控制进出) ， 经放大后分别用于控制门锁继电器和读取门磁信号，并且整系统与上位p c 机之 间进行通讯，获得指令以及传输系统状态等，最后，对系统的辅助设备，如液晶 屏、e e p r o m 等进行操作。根据方案的选择，下面将从硬件和软件两部份对该系 统进行分析与设计。 2 2 系统硬件设计与分析 2 2 1 射频读写模块分析 从图2 一l 可以看出系统最重要的部分是基于m fr c 5 0 0 的射频读写模块的设 计。由于m fr c 5 0 0 的集成度很高，而且具有其独有的特性“，因此，在开发时 要严格遵守m fr c 5 0 0 的特性“。 1 要求工作电压稳定，并且要在允许范围内( 如表2 1 所示) 。 表2 - 1m fr c 5 0 0 电压特性 电压参数特征最小电压典型电压最大电压 d v d d数字工作电压4 5 v5 o v5 5 v a v d d 模拟工作电压 4 5 v5 o v5 5 v t v d d 发射器工作电压 3 o v5 o v5 5 v 2 要有足够大的电流消耗( 如表2 2 所示) 。 表2 - 2m fr c 5 0 0 的电流消耗 电流参数特征工作状态典型电流最大电流 数字工作空闲模式 6 m a9 m a ，d 四d 电流等待模式 3 m a5 m a 软关机模式 8 0 0 u a 1 0 0 0 u a 硬关机模式 l u al o u a ，a m d 模拟工作空闲模式( 接收器开放) 2 5 m a4 0 m a 电流空闲模式( 接收器关闭) 8 m a1 2 m a 等待模式6 5 m a9 m a 软关机模式 l u al o u a 硬关机模式 l u al o u a ，m d 发射器电流 发送连续波 1 5 0 m a 中南大学硕士研究生论文 3 在软件设计时，必须严格遵循m fr c 5 0 0 的特有工作时序( 如图2 - i ) ，并 且要注意m fr c 5 0 0 的复位操作( 表2 3 ) ，否则系统将不工作，甚至损坏芯片。 一哪 r 、 、一卜 x x 一“ - k j h 一一 斟 黑拉 寸导 r _ 一一一 ：k ，h e c m 图2 - 2m fr c 5 0 0 的读写时序 表2 - 3m fr c 5 0 0 的复位特性 模式条件电流( u a )时间( u s ) 上电 5 0 0 通过复位脚实 1 5 0 0 现的硬件复位 通过寄存器设 ( 1 5 0 0 置的软件复位 2 2 2 其他部分硬件分析 由于系统比较复杂，使用的元件比较多，因此，必须从系统的稳定性、正确 性、小巧性、低成本等方面来考虑，主要有以下几点： i ) 由于系统的元器件比较多，而a t 8 9 c 5 2 的i o 口有限，因此必须对系统 进行i o 口扩展。 2 ) 因为系统任何一个关键部分出现错误或停机将直接影响到整个系统的运 行情况，因此，理论上门禁系统各个子系统应尽可能的属于n o n s t o p ( 不停机) 系统，以保证工作正常运行。但是实际上，系统在实际操作时会出现很多不可预 测的意外，这些意外可能造成系统“死机”“，所以，为了防止这种情况出现， 系统中必须配有看门狗电路。本系统采用看门狗芯片x 5 0 4 5 。 3 ) 根据m fr c 5 0 0 的特性，系统的电源模块必须工作稳定，在电源与读写器 中南大学硕士研究生论文 的模块接i z l 处要使用电感来稳定电源，并且系统的模拟地和数字地必须分开。 2 2 3 系统硬件选型及设计 整个系统以微处理芯片a t 8 9 c 5 2 为核心，包括m fr c 5 0 0 、e e p r o m 、时钟芯片 电路、看门狗电路、液晶屏显示电路、看门狗电路、4 8 5 通讯电路、电源转换电 路等( 如图2 - 1 所示) 。下面对硬件结构各部分进行介绍。 1 微处理器a t 8 9 c 5 2 “” a t 8 9 c 5 2 是一种高性能、低消耗、c m o s 工艺的八位微处理器。它具有一下特 性： a t 8 9 c 5 2 与m c s - 5 1 系列的单片机芯片在指令系统和引脚上完全兼容： 片内有8 k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器； 全静态工作，工作范围：o h z 2 4 h z ； 三级程序存储器加密： 1 2 8 8 位内部r a m ； 3 2 位双向输入输出线； 三个1 6 位定时器计时器； 六个中断源，两级中断优先级； 一个全双工的异步串行口： 间歇和掉电两中工作模式。 在实际应用中，a t 8 9 c 5 2 可以构成真正的单片机最小应用系统，提高系统的 可靠性，缩小系统的体积。a t 8 9 c 5 2 的工作电压是5 v ，这样它同m fr c 5 0 0 可以 工作在同一个电源下。其内部的8 k 字节的程序存储器足够装载系统的程序( 系 统程序有6 k ) ，无需扩展程序存储器。a t 8 9 c 5 2 具有三级程序存储器加密，提供 了方便灵活而可靠的硬加密手段，保证了程序或系统不被仿制。因此，本系统采 用a t 8 9 c 5 2 。 2 m fr c 5 0 0 的特性“” 高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码； 缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线； 近距离操作( 可达l o o m m ) ； 用于连接1 3 5 6 m h z 石英晶体的快速内部振荡器缓冲区 时钟频率监视； 带低功耗的硬件复位； 软件实现掉电模式； 中南大学硕士研究生论文 并行微处理器接口带有内部地址锁存和i r q 线； 自动检测微处理器并行接口类型； 易用的发送和接收f i f o 缓冲区： 支持防冲突过程； 面向位和字节的帧； 唯一的序列号： 片内时钟电路； 支持m i f a r ep r o 和i s o l 4 4 4 3 a ( 透明模式且t = “c l ”) ； 支持m i f a r ec l a s i c ； c r y p t o l 以及可靠的内部非易失性密匙存储器； 支持m i r f a r e 有源天线； 适合于高安全性的终端。 m fr c 5 0 0 是应用于1 3 5 6 m h z 非接触式通信中高集成读卡i c 系列中的一员。 该读卡i c 系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在1 3 5 6 删z 下所有类 型的被动非接触式通信方式和协议。m fr c 5 0 0 支持i s 0 1 4 4 4 3 a 所有的层。内部 的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线( 可达 l o o m m ) 。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于i s 0 1 4 4 4 3 a 兼 容的应答器信号。数字部分处理i s 0 1 4 4 4 3 a 帧和错误检测( 奇偶c r c ) 。此外， 它还支持快速c r y p t o i 加密算法用于验证m i f a r e 系列产品。方便的并行接口可 直接连接到任何8 位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。 3 电源转换电路 该电路功能是给系统供电。主要由开关电源和c 7 8 0 5 稳压管组成。它先将市 电的a c 2 2 0 v 变成d c 2 4 v ，接着再由c 7 8 0 5 稳压成d c 5 v 给系统供电。由于c 7 8 0 5 发热量很大，因此最好要安置散热片。 4 4 8 5 通讯模块 由于上位机的串行口是按r s 一2 3 2 一c 标准设计的，但是，r s 2 3 2 通讯方式的通 讯距离比较短，不适用于远程工作。因此，本系统采用r s 4 8 5 通讯模式，微处理 器的信号通过m a x 4 8 5 芯片传输，再通过r s 4 8 5 一r s 2 3 2 的转换头转换，最后由上 位机接收。r s 4 8 5 通讯方式的传输距离达1 0 0 0 m 。 5 门禁控制电路 系统中门禁控制电路是系统一个重要部分，主要是由微处理器a t 8 9 c 5 2 根据 6 中南大学硕士研究生论文 射频读写器读得地数据对外部门磁开关、指示灯等进行操作。对门磁开关控制是 由单片机对继电器的控制完成的。 6 其他外围接口电路 系统的e e p r o m 采用2 4 c 2 5 6 ，用于存储系统的数据。2 4 c 2 5 6 是串口操作方式 的，是一种性价比较高的存储芯片，它主要用来存储上位机发送的指令，以及暂 时存储读卡信息。液晶屏采用带字库的s t 7 9 2 0 ，它是并口操作方式的，操作方便， 它是用来显示读写卡的状况，并提示用户的下一步操作等信息。时钟芯片采用 d s l 2 c 8 8 7 ，这是d a l l a s 公司生产的新型产品，内置电池，可连续使用1 0 年，它可 以方便记录事件的发生时间。为了防止系统“死机”，使用x 5 0 4 5 作为看门狗， x 5 0 4 5 是串口工作方式的，内置e e p r o m ，可以用来存储一些系统参数。 由于系统的扩展芯片较多，而a t 8 9 c 5 2 只用两个i o 口，这明显不能满足系 统的需要。因此，系统中采用多片7 4 l s 3 7 7 扩展i o 口。 7 非接触式i c 卡的选择 基于m fr c 5 0 0 的射频模块可以采用m i f a r e1 卡和m i f a r el i g h t 卡，它们 都是p h i l i p s 公司的m i f a r e 系列产品。m i f a r el i g h t 是一种小容量卡，其特性 有： 容量为3 8 4 位： 1 6 位的数值计算 1 2 8 位的数据区( 如果不用钱包文件可达1 9 2 位) 用户可自定义控制权限； 唯的3 2 位序列号； 工作频率：1 3 5 6 m h z ： 通信速率：1 0 6 k b 波特率； 防冲突：同一时间可处理多张卡： 读写距离：在l o c m 以内( 与天线有关) ； 卡内无需电源； 而m i f a r e1 卡是较新的m i f a r e 系列产品，其主要特性有： 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； 工作温度：一2 0 5 0 ： 工作频率：1 3 5 6 z ： 通信速率：1 0 6 k b p s ： 读写距离：l o m m 以内( 与读写器有关) ； 中南大学硕士研究生论文 数据保存期为1 0 年，可改写1 0 万次，读不限次数； 从上面的特性可以看出，m i f a r e1 存储量更大，分区的存储结构适用于“一 卡通”的系统，为了方便系统以后的升级，本系统采用m i f a r e1 卡。 2 3 系统软件设计与分析 2 3 1 软件设计方法与设计语言选择 软件设计方法有三种叫】：1 、模块化程序设计：2 、自顶向下逐步求精程序 设计；3 、结构化程序设计。模块化程序设计的中心思想是要把一个复杂的应用 程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程、 调试和查错，然后装配起来联调，最终成为一个有实用价值的程序。自顶向下逐 步求精程序设计要求从系统一级的主干程序开始，集中力量解决全局问题，然后 层层细化逐步求精，最终完成一个复杂程序的设计。结构化程序设计是一种较理 想的程序设计方法，指在编程过程中对程序进行适当限制，使程序上下文与执行 流程保持一致。由于系统可以清晰的分为几个模块，因此本系统采用模块