[硕士论文精品]基于射频识别技术的门禁系统研究与设计

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MFRC500为核心，结合AT89C52、液晶屏、X5045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MFRCS00芯片的操作流程进行研究，并使用C51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RS一485方式的多机通讯进行研究，并制定了门禁系统与PC机的通讯协议，同时使用DELPHI编制了简易的串口调试程序，实现了将PC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PC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3DES加密和解密算法的性能，最后使用汇编语言实现的3DES加密解密算法。关键字门禁系统，射频识别技术，MFRCS00，DES加密解密算法ABSTRACTAIMEDATTHEDEVELOPMENTOFAENTRANCEGUARDSYSTEMBASEDONRADIOFREQUENCEIDENTIFICATION，THEARTICLECONDUCTEDARESEARCHINSOMESTRATEGIESOFENTRANCEGUARDSYSTEMTHEORITICALLYANDPRACTICALLYINCLUDEDHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNOFSYSTEM、DESIGNANDOPTIMIZATIONOFTHEANTENNA，DATASECURITYOFSYSTEM，ANTIINTERFEREDESIGNOFTHESYSTEMAENTRANCEGUARDSYSTEMWASDEVELOPEDBASEDONTHERESEARCHESHOWEVERAGOODINFLUENCEISRECEIVEDMAINRESEARCHANDJOB1REGARDMFRC500ASTHECORE，COMBINEDAT89C52，LCD，X5045ETCTODESIGNASETOFENTRANCEGUARDSYSTEM，INCLUDEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFPCD，LCD，KEYBOARDINTERFACEETC，FIANLLYDEBUGEDANDOPTIMIZEDTHISSYSTEMATTHESCENE；2RESERCHESTHEOPERATINGPROCEDUREOFMFRC500SYSTEMICALLY,ANDDEVELOPEDTHEBASELEVELSOFTWAREOFPCDUSEDC51LANGUAGE，THENPUTITINTODIFFERENTSUBPROGRAMMODELSDUETOVARYOPERATESTOCARDSWHICHISBENEFITSSYSTEMUPDATING；3RESERCHESMUFFCOMPUTERCOMMUNICATIONBASEDONRS一485，THENESTABLISHEDACOMMUNICATEPROTOCOLANDDEVELOPSASIMPLESERIALCOMMUNICATIONDEBUGINGTOOLUSEDDELPHI，WHICHREALIZETHECOMMUNICATIONBETWEENTHEPCANDTHESYSTEM4、RESERCHESTHESMALLLOOPANTENNASUITABLEFORRADIOSYSTEMOFTHESHORTWAVE，ANALYSESTHEPERFORMANCEAFFECTOFANTENNASPARAMETERS，THENDESIGNESANDOPTIMIZESTHEANTENNA，WHICHARETESTEDBYAEXPERIEMENT；5ANALYSESTHEDATASECURITYOFSYSTEMANDTHEPERFORMANCEOF3DESCODEDECODEARITHMETIC，FINALLYREALIZEITWITHASSEMBLELANGUAGEKEYWORDSENTRANCEGUARDSYSTEM，RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION，LVIFRC500，3DESCODEDECODEARITHMETIC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01，以智能卡来控NF7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。11射频识别技术简介射频识别技术REDIOFREQUENCEIDENTIFICATIONRFID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。和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。111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EEPROM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11RFIO系统典型结构我们用图12来说明RFID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RS232，RS422，RS485，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。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112RFID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。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。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。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11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ISO成量写性方式性化应能力标准太条码纸、塑料薄小只读CCD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ICEEPROM大读电擦最好有好长有，较卡写处不全高RFIDEEPRAM大读无线最好有很好最长有较写通讯高12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。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。121禁系统的功能门禁系统的一般功能是”11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。122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。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I3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“11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PHILIP公司的MFRC500，该芯片是PHILIP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。13国内外研究现状131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NORTHERNCOMPUTER公司、CSI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I000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300多个代理商800多个支持点，分布在76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60000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60000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I0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UI认证，荣获国际工业设计大奖。控制器内嵌32位INTEL处理器，自带FLASH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485总线方式。基于VINDOWSNT、2000、UN5X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、16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CCTV、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。132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IC项目；可管理的人员多，像美国西屋门禁最多可同时管理个10万人的企业。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。14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AT89C52为核心，基于MFRC500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I000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21系统总体方案设计211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NONSTOP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。212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1000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ISOIECL18012民用建筑电气设计规范JGJT16923中华人民共和国安全防范行业标准GAT74944中华人民共和国公共安全行业标准GAT70945监控系统工程技术规范GB5019894213系统方案本文所介绍的基于MFRC500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AT89C52讳图21系统的总体结构图12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PC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、EEPROM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。22系统硬件设计与分析221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MFRC500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，在开发时要严格遵守MFRC500的特性“。1要求工作电压稳定，并且要在允许范围内如表21所示。表21MFRC500电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45V5OV55VTVDD发射器工作电压3OV5OV55V2要有足够大的电流消耗如表22所示。表22MFRC500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6MA9MA，D四D电流等待模式3MA5MA软关机模式800UA1000UA硬关机模式LUALOUA，AMD模拟工作空闲模式接收器开放25MA40MA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LUALOUA，MD发射器电流发送连续波150MA中南大学硕士研究生论文3在软件设计时，必须严格遵循MFRC500的特有工作时序如图2I，并且要注意MFRC500的复位操作表23，否则系统将不工作，甚至损坏芯片。一哪R、一卜XX一“KJH一一斟黑拉寸导R_一一一K，HECM图22MFRC500的读写时序表23MFRC500的复位特性模式条件电流UA时间US上电LS在用电高峰期，超出发电厂额定功率的负载能力时，形成欠压供电。在用电低峰期，负载很轻，可能会使电压升高造成过压。这些干扰可称为电源的慢变化，其危害很大。浪涌、下陷1ST10MS”用户本身大功率设备的不断接通和断开，特别是大功率马达以及门磁继电器的断开，接通瞬间需要很大的启动电流，并可持续几百毫秒，从而在输电线路内阻上将产生很大压降，这是电网中产生电压瞬变浪涌、下陷的主要原因。这些噪声叠加在正弦交流电压上沿线路传输，在所到之处引起干扰，如果幅度过大，会毁坏系统。即使变化不大1015，中南大学硕士研究生论文直接作用可能不会损坏系统，但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，使得忽高忽低。如果有连续几个1015的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生3040的电流变化，致使系统无法工作。另外，由于设备接地不良，在分支线路上造成电压降和零线偏离零电位过大，也会造成火线和地线、零线与地线之间形成浪涌、下陷等于干扰电压。尖峰电压AT为微妙量级输电线是悬浮的不接地，在其周围发生闪电时，可以在电线中引起3KV的尖峰电压。继电接触器等电器开关触点的通断可在电网中引起600V左右的尖峰电压。地线过长，受空间电磁场的干扰，也会在电网中引起尖峰电压。尖峰电压的持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对微机系统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏程序。射频干扰AT为纳秒量级射频干扰可通过电源传至范围很广的任何设备。但射频干扰对微机系统的影响不大，一般加23节低通滤波器即可解决问题。圈圈图51门禁系统抗干扰供电装置在分析了电源干扰的种类和方式后，为了防止从电源系统引入干扰，本系统可采取图5一L所示的供电装置。交流稳压器使用交流稳压器可保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压，有利于提高整个系统的可靠性。由于传统稳压技术的交流稳压器只能对付电源的慢变化，而对电源的瞬间变化却无能为力，于是很多对付电源瞬间变化的净化技术相继提出得到广泛应用。中南大学硕士研究生论文0隔离变压器考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合的，因此应采用隔离变压器或超隔离变压器，以提高抗共模干扰的能力。低通滤波器采用低通滤波器可以滤去高次谐波，以改善电源波形。采用分散独立功能模块供电在每块系统功能模块上，用三端稳压集成块本系统使用的是7805组成稳压电源。每个功能模块单独对电压过载进行保护，不会因某块稳压电源故障而整个系统破坏，而且也减少了公共阻抗的相互耦合以及公共电源的相互耦合，大大提高了供电的可靠性，也有利于电源散热。采用高抗干扰稳压电源及干扰抑制器。3在电源配置中，还可以采用下列措施【46J利用反激变换器的开关稳压电源，利用变换器的储能作用，在反激时把输入的干扰信号抑制掉了。利用频谱均稀法原理，制成干扰抑制器，把干扰的瞬间能量转换成多种能量，达到均稀目的。它的明显优点是抗电网瞬变干扰能力强，很适宜于微机实时控制系统。利用超隔离变压器稳压电源。这种电源具有高的共模抑制比及串模抑制比，能在较宽的频率范围内抑制干扰。53软件抗干扰措施进入单片机系统的干扰，其频谱往往很宽，并且具有随机性，硬件抗干扰措施只能抑制某个频段的干扰，仍有一些干扰信号会进入系统。因此除了采用硬件抗干扰措施外还要采用软件抗干扰措施。常见的软件抗干扰措施包括数字滤波方法、输入信号重复检测方法、输入端口数据刷新方法、软件拦截技术和“看门狗”技术等。本系统的下位机软件是用C51和汇编语言两种语言混合编制而成的，在使用这两种语言时，分别有一些要注意的地方。对于C51语言要注意以下几点中断程序的入口和出口要注意保护现场。由于C51转换成HEX文件后，对单片机的内部寄存器的使用是KEIL软件自己决定的，因此，在现场使用时，忽然出现的一些“异常”可能导致整个系统软件运行紊乱。OLIRILL中南大学硕士研究生论文系统中键盘等模块上的去抖时间长短要适宜，否则容易出错。一定要注意释放静态变量，防止造成系统内存冗余，当系统的数据处理量很大时，可能造成系统瘫痪。尽量不要使用指针。虽然指针是C语言的精华，但是对于C51来说，系统软件中的指针在受到某种干扰后，系统会立即瘫痪。对于汇编语言来说，主要要注意的是尽量使用单字节语句。这是因为当出现某种噪声干扰时，系统程序可能出现“乱飞”，如果使用双字节语句系统可能把该条语句的立即数当成指令来执行，这样就可能出错。在双字节语句不可避免的地方，要在后面加两条“NOP”，这样可以在一定的程度上防止“NOP”语句后面的程序不会“乱飞”。当然这些抗干扰技术不是万能的。为此，系统有一个“看门狗”模块，该模块功能就是在系统出错时，使系统复位，重新进行工作。由于系统中有EEPROM，可以保证系统中以前的数据不会丢失。54噪声抑制措施噪声是指叠加于有用信号上，使原来有用信号发生畸变的变化电量。按照噪声产生的原因不同，噪声包括放电噪声、高频振荡噪声和浪涌噪声；噪声还可以根据传导模式分为常模噪声和共模噪声。为了抑制可能遇到的噪声，本门禁系统设计时采用如下措施时钟产生器尽量靠近用到该时钟的器件；石英晶体振荡器外壳要接地尽量让时钟信号回路周围电场趋近于零，用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短；IO驱动电路尽量靠近印制板的信号要加滤波对进入印刷电路板的信号要加滤波；从高噪声区来的信号也要加滤波；闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运算放大器正输入端要接地，负输入端接输入端弱信号电路、低频电路周围地线不要形成回路；集成电路上该接电源、地的端要接，不要悬空；用大容量的钽电容或聚酯电容而不同电解电容作电路充放电储能电容；每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容尽量不用IC插座，将集成电路直接焊在印刷板上，特别是高性能的模拟电路器件和数字、模拟混和的集成电路。中南大学硕士研究生论文55系统的隔离措施隔离的目的是从电路上把干扰源和易受干扰的器件隔离开来，使被隔离的两部份仅存在有用信号联系，而没有发送的关系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离干扰的目的。门禁系统设计时采用的隔离措施有物理隔离物理隔离是指对小信号低电平的隔离。其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线，以减少噪声和电磁场的干扰。为了实行物理隔离，即使在同一读写器内部，也应把这两类信号线分开走线。远距离走线时，要注意把信号电缆和功率电缆分开，并保持一定的距离。必要时，还可以用钢管把它们分别套起来，以增加屏蔽效果。光电隔离光电隔离的目的是割断两个电路的电联系，使之相互独立，从而割断噪声从一个电路进入另一个电路。光电隔离是通过光电耦合器来实现的。光电耦合的响应时间一般不超过几微秒。光电耦合器的输入端与输出端在电气上是绝缘的，且输出端对输入端也无反馈，因而具有隔离和抗干扰的独特特性。56本章小结本章主要分析系统中干扰源，各种抗干扰的方法，最后在硬件和软件方面进行抗干扰设计。经过设计之后，系统抗干扰能力明显加强。中南大学硕士研究生论文第六章系统调试与应用本系统是受温州万马电子有限公司委托开发的，目前已经投入市场。图6I是系统最后的PCB板照片，可以看到其左下角为RS485通讯接口；右上角接口为控制系统的外部输出如门磁信号、指示灯信号等；板子的中部的32脚的芯片就是MFRC500；标签处的芯片为AT89C52。为了提高系统的稳定性和减少系统的1体积，最后所有的芯片都是SOP封装的。图61系统PCB板照片该系统首先在实验室进行开发，接着在现场进行了调试。在调试过程中发现了一些问题，并采取了针对性的措施进行解决。61系统调试611系统调试过程系统调试环境硬件PENTIUMIV的PC机，一块RS232转RS485的网络接口卡，3套门禁系统、电子锁、门磁传感器、开门按钮，还有一根双绞线。软件由于当时软件还没有编制完毕，就采用实验室编制的串口调试程序进行调试。主要的测试内容有中南大学硕士研究生论文门禁系统的基本功能包括三种方式的开门，非法门磁报警，紧急报警等。抗干扰性在高低温环境下，连续运行120小时，观察系统的工作稳定性。通讯的稳定性长时间通讯查看通讯的出错率以及是否中断。经过几天的调试发现系统基本运行正常，只需再进行外观设计即可进行投入市场。612调试中发现的问题以及解决方案在调试过程中，发现了一些问题1射频读写器读卡成功率不高由于基于MFRC500的射频读写器的读写程序由很多步骤组成，只有在每个步骤都成功完成才能实现对卡的操作。但是，系统在实际运行时由于干扰或者读写器的信号不稳定等问题会造成某个步骤的失败。为了解决这个问题，对该部分的软件进行优化。把所有的读写器的程序包含在一个WHILE循环中，如果所有步骤成功完成，就退出该循环，如果某个步骤失败，WHILE循环就控制读写器重新进行读写操作，直到实现对卡成功操作。实验证明这种方法可以提高读卡率。2系统初次复位成功率不高本系统在实验室设计时，其复位是由X5045提供200MS的复位信号实现的，但是X5045的信号易受干扰，因此，有时不能成功对系统进行复位。为了解决这个问题，对复位电路进行了改进，采用三极管对系统进行复位如图62所示。改进后的复位电路抗干扰能力很强，复位工作稳定。图62改进后的复住电路67中南大学硕士研究生论文3通讯不够稳定在现场调试发现系统通讯不如在实验室设计阶段那么稳定，经过分析发现在设计阶段，由于条件有限，在实验室对串口通讯进行调试时，采用单机工作模式，即一台门禁系统同一台PC机进行通讯，它们之间的通讯方式是多机通讯。在这种情况下，系统通讯比较稳定。但是，在现场调试时，一台PC机接了三台门禁机，而且通讯距离较远，这样在通讯过程中发现，系统通讯经常中断或者出。错。造成这种现象的原因是总线负载能力不够。解决这一问题的办法是用一种具有高能量瞬变干扰保护装置的器件SN75LBCL84来代替MAX485芯片。SN75LBCL84与差分数据线收发器商业标准兼容，片内A、B引脚接有保护装置，这种结构能承受峰值为400W的过压瞬变，从而显著提高了器件抗过压瞬变可靠性。SN75LBCL84的另一特性是输入阻抗为RS一485标准输入阻抗的2倍224KQ，故可以在总线上联接64个门禁系统。62天线优化性能测试实验本文第三章从理论上分析了小环天线的参数对天线性能的影响，并在此基础上对天线进行设计和优化。为了对天线性能优化效果进行评价，在系统完成制作之后通过一个实验对天线性能进行了测试。图63实验所使用的天线照片实验首先按照PILILIPS公司的DATASHEET的范例制作一个天线如图63的左边的天线；再根据对小环天线分析研究的结果，对其进行优化，制作了一个优中南大学硕士研究生论文化天线图63的右边的天线。可以看出优化天线带有同轴线、且尺寸增大很多，而且其匹配电路也经过改进，其工作电流增大。然后在同样的主板状况下对两天线的性能进行测试。图64PHILIPS范例天线工作照片图65优化后的天线工作照片测试方法是系统工作时，采用直尺来测量读卡的距离。测量结果是PHILIPS范例天线的读卡距离为23CM，优化后的天线的读写距离为78CM。可见优化效果已经较明显了，其读写距离扩大了2倍。但由于MFRC500最大读写距离只有10CM，所以读写绝对距离增长不大。这种优化方法同样适用于别的短波射频识别系统。63系统应用情况本系统目前已经投入市场，在温州许多小型企业投入使用。除了安装问题外，尚未出现技术问题，系统基本运行正常，市场反应良好。为此，温州万马公司打算在该系统的基础之上升级为门禁考勤一体化系统。中南大学硕士研究生论文结论本文对基于射频识别的门禁系统进行了研究和设计。在研究过程中，借鉴国内外已有的一些设计经验和设计理论，成功设计开发了一台面向中小型单位应用的门禁系统，为门禁系统国产化、产业化做出了一定的贡献。本文主要做的研究工作有1以MFRC500为核心，结合ARJ89C52、液晶屏、X5045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采用模块化软件设计方法，根据MFRE500的特性，系统地对MFRC500芯片的操作流程进行研究，使用C51语言开发了读写器的底层控制软件，并把对非接触式IC卡的不同的操作编成子程序模块，方便系统升级。3对RS485方式的多机通讯进行研究，制定了门禁系统与PC机的通讯协议，使用DELPHI编制了串口调试程序，实现了将PC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PC机。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，根据研究结果对天线进行设计和优化，并通过实验验证了天线优化的效果。5对门禁系统的数据信息安全性进行了研究，分析了RSA、DES、3DES加密IS密算法的性能，最后选择3DES加密解密算法，并使用汇编语言实现该算法。6研究了门禁系统的干扰源以及相应的抗干扰方法，并对系统采用抗干扰设计提高了系统的可靠性。其中本文主要的创新点有1借鉴国内外已有的门禁系统设计特点，自行设计开发了以肝RC500为核心的门禁系统，此系统适用于中小型企业，产品前景良好。2MFRC500是较新的射频识别芯片，国内应用情况尚不多见。本文从理论和实际开发上对MFRC500的特性和开发流程进行了研究，并成功实现了对非接触式卡的所有操作，完成读写器的设计。3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；根据研究结果对天线进行设计和优化。实验证明优化效果明显。优化的方法对别的系统同样有借鉴意义。中南大学硕士研究生论文4以往对3DES加密解密算法的实现都是使用高级语言，本文出于系统资源的考虑，使用汇编语言实现该算法的方法。实验证明系统中的加解密模块工作正常稳定。本门禁系统已经通过了现场调试和考核，在此过程中，发现了系统的一些不足和缺陷，有的已经得到了改进，但出于价格和其他一些原因的考虑，有的还没进行改进。如果对本系统进行进一步研究和设计，还可进行以下的工作1改进通讯设计。RS一485通讯方式的总线驱动能力不够，而且当并接节点过多时，通讯将出现混乱或无法通讯。解决方案可以采用CAN总线通讯方式，应用像PHILIPS公司的SJM000来实现2在系统的形成时已经考虑“一卡通”的设计，采用的MIFAREL有24独立的工作区，完全可以满足“一卡通”系统的需要，因此门禁系统可以同考勤机结合在一起，形成门禁考勤机；3系统采用汇编语言实现了3DES算法，但是在实际应用时占用较多的系统资源，这样影响了系统的可升级性。为了节约系统资源，在成本允许的情况下，可以采用专用的3DES加密芯片来实现加密算法，如VLSI公司的6868。中南大学硕士研究生论文参考文献1刘晓胜等智能小区系统工程技术导论北京电子工业出版社，2001，145，18302张瑞武智能建筑北京清华大学出版社，1996，107103黎连业网络工程与综合布线系统北京清华大学出版社，1997，1096974张辉TM多功能卡在智能楼宇中的应用智能建筑1998年6期595王爱英智能卡技术北京清华大学出版社，2000，1013，211217，3133226陈秋裕非接触式IC卡门禁控制在远程监控系统中的应用电子技术，1998年第11期16187王恒奎等非接触式智能卡系统及若干关键技术电子技术应用，1999年第12期36398SCOTTBGUTHERYJAVACARDINTERNETCOMPUTINGONASMARTCARDIEEEINTERNETCOMPUTING，19971257599JORGFLAIG，VLRI