[硕士论文精品]基于射频识别技术的门禁系统的设计

硕L学位论文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，使卡与锁之白J实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的丌启，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RADIOFREQUENCEIDENTIFICATIONRFID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机会每隔一定时问访问读卡器，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、12C等，从而节约了单片机的IO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MFRC500的特性，系统地对MFRC500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语言丌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J下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INTEMET接入取代RS485联网方式，扩大系统的规模。关键词门禁系统；射频识别MFRC500；读卡器串口通信兰三坠丝堡型垒查竺窒圣重竺竺竺ABSTRACTTOMEETTHENEEDSOFTHEINFORMATIONAGE，ENSURINGSECURITYOFTHEINTERNALARCHITECTUREANDTHEUSERSDIFFERENTKINDSOFNEEDS，ENTRANCEGUARDSYSTEMCOMESOUTGATHEREDWITHCOMPUTERTECHNOLOGY,ELECTRONICTECHNOLOGY,MECHANICALTECHNOLOGY,MAGNETICELECTRICTECHNOLOGYANDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONTECHNOLOGY,ACCESSCONTROLSYSTEMMAKESCARDANDLOCKSGET”INTEGRITYDIALOGUE”FUNCTIONTHATSMARTCARDSTOCONTROLTHEOPENORCLOSEOFTHEDOORS，INTRODUCESANEWMANAGEMENTCONCEPT，WHICHNOTONLYMANAGERCANPROVIDEASAFE，FASTER,MOREAUTOMATEDMANAGEMENTSTYLE，BUTALSOOFFERTHEUSERS，AGREATCONVENIENCEINTHISPAPER,WERESEARCHONTHEDESIGNOFRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONACCESSCONTROLSYSTEM1THISPAPERINTRODUCESTHEDESIGNOFTHEACCESSCONTROLNETWORKSYSTEMBASEDONRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONICCARD，WHICHANALYSISESTHEDESIGNOFHARDWAREDETAILEDLY,GIVESOUTTHEELECTRICCIRCUITPRINCIPLEDIAGRAMOFMAKINGCONTACTLESSICCARDPROXIMITYCOUPLINGDEVICEPCDTHEPCDISCONSISTEDOFRFANTENNA,READWRITEMODULE，RS485COMMUNICATIONINTERFACEANDMCU，WHICHCANREADWRITETHEMIFARECONTACTLESSSMARTCARDOFPHILIPSCOMPANY,THEDISTANCEOFREADINGCARDIS10EMROUGHLYTHESYSTEMWILLDISPLAYTHECLOCKWHENTHEREISNOCARDENTEREDINTOTHESCOPEOFRFENERGYWHENTHECARDENTEREDINTOTHAT，THEREADINGCARDDATAWILLBEDISPLAYED2DEEPLYSTUDEDTHERFIDANTENNAEMCFILTERSRECEIVECIRCUITANDANTENNAMATCHINGCIRCUITS，ETC，ANDCONSIDERINGTHESPECIALDESIGN，WEUSETHECOILANTENNA，OPTIMIZETHECOUPLINGCIRCUITBYRAISETHEQUALITYFACTORQANDTHEFREQUENCYTUNING3REGARDTHEAPPLICATIONFORNETWORKEQUIPMENTREQUIREMENTS,ACCESSCONTROLTERMINALUSINGRS485COMMUNICATIONS，WHILECOMBININGACCESSCONTROLRS485READERONTHENETWORKTOPOLOGY,THROUGHTHERS485INTERFACEANDPCCOMPONENTCOMMUNICATIONNETWORKSYSTEMREADERPEACETIMECANWORKINDEPENDENTLY,PCEVERYOPPORTUNITYTOVISITSOMETIMEREADER,WITHPCCLOCKREUNIFICATIONONTHECLOKCALIBRATIONREADERANDTHEMEMORYCARDREADERTO陀ADDATATOTHEREADERTOOBTAINTIMELYDATAPROCESSING4THEDESIGNINCLUDINGWATCHDOGS，LCD，DATASTORAGEANDREALTIMECLOCKMODULE，ANDOTHERPERIPHERALCIRCUITS，USINGSERIALDESIGNSUCHASSPI，12C，THUSSAVINGTHEMCUSI，OINTERFACEACCESSCONTROLSYSTEMDESIGNATTHESAMETIMECOMBININGUTHEACCESSCONTROLCIRCUIT，COMPLETEDTHEEQUIPMENTSELECTION5TOMEETTHERADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONACCESSCONTROLSYSTEMDESIGNREQUIREMENTS，WEDESIGNBYMODULARSOFTWAREMETHODACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFMFRC500ANDTHESYSTEMATICRESEARCHONTHEOPERATIONOFMFRC500CHIPPROCESS，DESIGNTHEFLOWCHALTOFTHEMAINPROGRAMMODULESSUBROUTINE，USEC51一LANGUAGEDEVELOPMENTTHEBOTTOMOFTHEREADERCONTROLSOFTWARE，ANDCOMPLETEDTHEDEBUGGINGPROCESSTHATRESULTSMEETTHEDESIGNREQUIREMENTSRFIDWITHCONVENIENTANDEFFICIENTBECOMESTHEFOCUSOFATTENTIONOFTHEINDUSTRY,ANDCHINAISBEINGALLRFIDTAGPRODUCTIONOFTHEMOSTPROMISINGPRODUCTIONBASEAPPLICATEDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONTOTHEACCESSCONTROLSYSTEM，HASBROADAPPLICATIONPROSPECTSBASEDONTHISTHINKING，THISPAPERGIVESOUTTHEREALIZATIONOFTHESPECIFICDESIGN,BUTALSOTOBEFURTHERSTUDYONTHEEXPANSION,SUCHASTHEUSEOFINTERNETACCESSTOREPLACERS485INTERCONNECTION,EXPANDINGTHESIZEOFTHESYSTEMKEYWODSACCESSCONTROLSYSTEMRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONMFRC500PROXIMITYCOUPLINGDEVICESERIALCOMMUNICATION111湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名治I舒磐日期岬年，月7ET学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。请在以上相应方框内打“4”作者繇妻篓吼斛I月7日导师躲域喻冯日期哆锄月7日高校教帅硕L学位论文11课题背景及意义第1章绪论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，使卡与锁之日J实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的丌启，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。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，以综合御线系统为基础，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。门禁系统属于楼字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，出入时日J，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问。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121。苹J二匀频识别让术的门禁系统的砹计12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J下逐渐进入成熟阶段，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、HLDALA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NORTHEMCOMPUTER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，使其利涧率不断下降，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。J下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FII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【”J。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，但真币形成大批量生产的厂家只有美国德国、英国次之只本、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ISOIECL4443TYPEA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13J。PHILIPS公司的MIFARELC卡系列产品有三类MIFARESTAADARD，MIFARELI曲T，MIN鹏PLUS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MFOICUI，有512字节E2PROM，专用于车票系统，MFO卡最大的特点是交易时问只有314MS，比其它MIFARE卡要短得多。此外还有一种MF31CD40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14】。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5LOCM，相应的读写基站芯片为U2270B，此芯片在动物身份识别等方面得到了应用。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】。，苛枝教帅硕L学化论史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；对国外已有的系统进行仿造；产品单一、开发成本较高。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，可以随时根掘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丌门。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，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，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，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F241，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。13本文主要研究内容本文针对国内目IJI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，设计丌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毕十咐频识别技术的门禁系统的设计子程序，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。，矗枝救帅顾F。学位论文第2章门禁系统的技术基础21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问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11121。211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21。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IJI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。I笠L21射频识别系统原理幽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I；RFID已经得到了广泛应用，且有国际标准1S010536、IS014443、毕F射频识别扯术的门禁系统的设汁IS015693、IS018000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，下面将分别介绍己广泛应用的各种类型的RFID天线及其性能。212RFID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LM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LM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日J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22，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FL2NF1，KEOC为CP和C2的并联等效电容。RFLD应用系统就是通过这一频率载波实现双向数掘通讯的。常用的ID21型非接触式IC卡的外观为一小型的塑料卡8572MM5403MMX076MM，天线线圈谐振工作频率通常为1356MHZ。目FII已研发出线圈天线面积最小为04RAMX04MM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与读写器问的天线线圈互感量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商导磁率U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。RL图22席答器等效电路幽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23。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6新枝救帅彤I学位论史微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体丌路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。因此，一般适用于通刑方向变化不大的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24GHZ的单缝隙天线和59GHZ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。幽23微带贴片大线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24，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，信号从中问的两个端点馈入，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日J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EO上LDEELS。警SJNOCOSAZCOSODZ式中IZ为沿振子臂分行的电流，A为相位常数，R是振子中点到观察点的距离，0为振子轴到R的夹角，为单个振子臂的长度。同样，也可以得到天线的输入H一幽24偶极千大线A偶极子天线；B折合振子大线；C变形偶极子大线阻抗、输入回波损耗SLL、阻抗带宽和天线增益等等特性参数。当单个振子臂的长度LV4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V4的整数倍，如工作频率为245GHZ的半波偶极子天线，其长度约为6CM。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图24B的折合振子。7事毕F射频识别技术的门禁系统的5计213射频识别系统的典型结构射频识别系统的典型结构见图25，主要是由两部份组成读写器和射频卡。读写器同射频卡之问通过无线方式通讯，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干比特。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，并与读写器之问进行数据交换。读写器射频卡幽25RFID系统典7钭结构图26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。31。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。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。数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数掘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。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。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11411。读写器|兰|26射频识别系统原理I笙|214RFID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、LC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掘进行一次性识别时，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J下被淘汰，或只用于专业系统，所以这罩不再讨论。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15117LOL。表21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9毕十身F频识别拙术的门禁系统的改汁据不必更改的场合，例如用在商品包装上。一般的条码是纸质的，较易磨损，且数掘量很小。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训。表2F几种识别技术的区别信息信读读取保智环境寿ISO成载体息写方式密能适应命标准本量性性化能力条纸、塑料薄小只CCD或激差无差较有最码膜、会属表面读光束扫描短低磁磁性物质读电磁无较短有低性条般写转换般差ICE2PROM大读电擦除较有好长有，不较卡写好全高RFIDE2PROM大读无线最有很最有较卡写通讯好好长高22门禁系统结构原理在工厂、学校、办公室、商店、会融系统、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丌门，NIC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日J等信息，判断该卡持有人是否可以进出，如果可以，则系统自动丌门，否则，不丌门。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IS。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问，一O岛枝教师硕I学位论文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；否则电锁不会丌启。3发生火灾时，各远端智能控制器能同时全局联动，打丌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丌指定的门。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，并根掘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、丌I1关门、识别卡等构成，典型门禁系统构成见图27。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日J段和丌门权限，从而控制电控锁是否打丌。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LLHD2IO幽27典窄FJ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LI壮十射频识别扯术的门禁系统的设计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公司的MFRC500，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16J。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丌门，若是非法丌门，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丌锁，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J。23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J日J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LC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28。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高校敦帅硕L学位论文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。幽28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J日JCEKMMDKCMDKEKM对称密钥密码算法中，最著名的就是DESDATAENCRYPTIONSTANDARD算法，它是山IBM公司在1975年研究成功并公丌发表的，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，就需要有C。2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”，一文中提出了公丌密钥系统，即密码系统中的加密密钥、解密密钥可以不同。加密密钥公丌，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EKDK_DKEK。这样，公丌密钥体系可以方便地解决上述两个问题。在公丌密钥密码体制中，最有名的一种是RSA体制。它己被ISOTC97的数据加密技术分委员会SC20推荐为公开密钥数掘加密标准。RSA算法是由RONALDLRIVEST博士、ADISHAMIR博士、LEONARDADLEMAN博士创立，并以他们的名字命摹十身频识别于上术的门禁系统的设计名的公丌密钥的算法。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基础。RSA密码系统为每个用户分配两对密钥，IOE，N和D，11，其中E，N用于加密报文，D，N用于与解密报文。实现RSA算法需要解决两个问题如何确定N,E，D三个密钥。如何实现加密算法和解密算法。由于其中涉及大数的指数运算及模运算，计算量很大，因此这是实现RSA算法的关键。生素数的方法根据修改的欧拉定理，如P为素数，则对于X的所有整数值，应满足譬JMODP这是一个必要条件而非充分条件，不过，如果有5个以上的X值能满足上述条件，则P可基本断定为素数。产生加密密钥EE是与MN互素的任意数，因此可以先选择一数E，检查它是否与中N互素，若不是，则执行EE1，再次检查，直到与MN互素为止。检查两数是否互素的方法如下检查两数的公约数GCD是否为1，若是，则两数互素。根据欧几罩德算法，如果ABNL，则A和B的GCD等于B和的GCD，即GCDA，BGCDB，C，因此，GCD乜B可用每次运算的余数去除该运算的除数来计算，这样可以逐渐减少参加运算的操作数的数值，最后的非零余数即为公约数。如对40，3L是否互素进行判断，即计算GCD40，31。第一次运算4028I12，即4028的余数为12第二次运算31934，即319的余数为4第三次运算94“21，即94的余数为L；因此，GCD40，311,40与3L互素。上述算法即使对很大的整数，也只需要不多的步骤即可得到结果。产生解密密钥D采用欧几罩德算法的一种变型产生解密密钥D。设中NXO，EX1，MN和D是互素的数；XI1为XIIXI的余数；QIXI1XI的商耿整数；DO0，DI1；贝UDI1DIJ卜QIUI；递归计算，直到XI1，DI的值即为密钥。下面以P5，Q17，E19为例，对密钥。的值进行计算4高枝救帅硕I学位论文X0ONPI，Q164，EXI19；X2XOXO，X27；D00，D1L；QIXI1XI，则Q13；DIIDI1卜QIDI，则D23同理，X35，D37；X42，D4户10；X5L，D527；所以，解密密钥D的值为27。由以上确定N、E、D数掘的过程可知，若使RSA算法安全，P、Q必为足够大的素数，使分析者无法分解出N。通常选择P和Q大约是100位的十进制素数。模N的长度至少为512比特。EDLELECIRONICDATAINTERCHANGE标准使用的RSA算法规定N的长度为512到1024比特之间，必须是128的倍数。国际数字签名标准ISOIEC9796中规定N的长度为512比特。为了抵抗现有的整数分解算法，对RSA模N的素因子P和Q，有如下要求1PQ|艮大，通常P和Q的长度相同；2P一1和Q1分别含有素因子PL和QL；3PLL和QL1分别含有素因子P2和Q2；4PL和Q1分别含有素因子P3和Q3。加密和解密算法的实现是在N、D和E数据己经确定的情况下，完成CEMM。MODI1的加密过程MDC、CDROODN的解密过程。基十射频识别挫术的门禁系统的设计第3章基于射频识别的门禁系统总体设计31系统总体方案设计311系统设计的基本要求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。本设计为面向实验室管理的小型门禁系统。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IJI性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。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NONSTOP不停机系统，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个因素。4系统的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取等方面。5系统的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，保持长时日J领先地位，成为智能建筑的典范。6系统的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丌电即可工作的程度。而且维护过程中无需使用过多专用的维护工具。门禁系统在设计时结合目的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。主要体现在三方面6高忮救帅颂I学位论史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。312系统方案基于MFRC500射频识别门禁系统是以射频识别读写器为核心，系统的总体结构见图31，再增加门锁继电器以及其他一些辅助器件而组成的系统ISL。系统的工作原理是先由微处理器AT89C52控制射频识别读写器读取非接触式IC卡的信号，接着，AT89C52根掘所得数据输出四个丌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，并且整个系统与上位PC机之问进行通讯，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、E2PROM等进行操作。进两肾习4位开关LI量输入I趣L总线接口R处理器AT89C52寸时32系统硬件模块分析J璺I31系统的总体结构|笙|321射频读写模块分析从图31可以看出系统最重要的部分是基于MFLTC500的射频读写模块的设计。由于MFRC500的集成度很高，而且具有其独有的特性，因此，在丌爱时要严格遵守MFRC500的特性1691。1要求工作电压稳定，并且要在允许范围内见表31。苹十射频识别找术的门禁系统的砹汁表31MFRCS00屯压特性电压参数特征最小电压典型电压最大电压DVDD数字工作电压45V5OV55VAVDD模拟工作电压45V50V55VTVDD发射器工作电压30V5OV55V2要有足够大的电流消耗见表32。表32MFRC500的电流消耗电流参数工作状态典型电流最大电流IDVDD空闲模式6MA9MA数字工作电流等待模式3MA5MA软关机模式800UA1000UA硬关机模式1UA10UALAYDD空闲模式接收器丌放25M40M模拟工作电流空闲模式接收器关闭8MA12MA等待模式65MA9MA软关机模式LUALOUA硬关机模式1UALOUAITL“DD发射器电流发送连续波150MA3在软件设计时，必须严格遵循MFRC500的特有工作时序，并且要注意MFRC500的复位操作见表33，否则系统将不工作，甚至损坏芯片。表33MFRC500的复何特性模式电流