非接触式ic卡门禁系统

非接触式ic卡门禁系统

由于ic卡越来越多地应用于人们的生活中，ic卡门禁系统逐步取代了其他现有的门禁系统，并逐渐取代了其他门禁系统的传统方法。门禁安全管理系统是一种新型智能化的安全管理系统,它集自动识别技术和现代安全管理措施为一体,涉及电子、机械、光学、计算机技术和通讯技术等诸多方面。它是解决重要部门出入口便捷控制和实现安全防范管理的有效措施。适用各种机要部门,如银行、宾馆、机房、办公大楼、智能化小区、工厂、军械库、机要室等。在数字技术和网络技术飞速发展的今天,门禁系统也得到了迅猛发展。门禁系统已由早期单纯的门道及钥匙管理,发展为一套完整的出入管理系统,并且通过采用先进的网络技术,使整套系统的操作和自身资源的使用不再受时间和地域的限制。非接触式IC卡门禁管理系统读卡器是以非接触IC卡射频识别技术为核心,使用户使用方便和管理方便为目的,具有高安全性、高可靠性的管理系统。当要开门时,只要将IC卡在读卡器前一划,读写器就会识别出该卡是否对应此门,当密码正确则打开门,并自动准确记录下卡号和开门时间等信息,如果系统允许,一卡还可以对应多个门。一、卡中存储读写能力非接触式卡可用以存储数字、字母编码信息,具有智能读写和加密通信的功能,卡中存储需要识别、交互的数据可以随时写入、更改或擦除。它通过无线电波与读写设备进行数据交换,不需要电气触点,读写频率高。非接触式IC卡的功能组成如图1所示。整个卡片包含了两个部分,射频接口电路和数字电路部分:1、波形转换模块在射频接口电路中,波形转换模块接收读卡器上的13.56MHz的无线电调制频率,一方面送调制解调模块,另一方面进行波形转换,将正弦波转换为方波,然后对其整流滤波,由电压调节模块对电压进行进一步的处理,包括稳压等,最终输出供给卡片上的各电路。EEPROM存储器及接口电路单元主要用于存储数据。EEPROM中的数据在卡片失掉电源后(卡片离开读卡器天线的有效工作范围内)仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单元中。卡片中这一单元容量为1k字节,分为16个扇区。2、卡式卡的认证数字电路部分包括:ATR请求模块、AntiCollision防重叠模块、选择模块、认证模块、控制及算术运算单元、RAM和ROM单元。在确认已经选择了一张卡片时,程序员对卡片进行读写操作之前,必须对卡片上已经设置的密码进行认证,如果匹配,则允许进一步的读、写操作。卡片上有16个扇区,每个扇区都可分别设置各自的密码,互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。三遍认证的令牌原理框图如图2。图中的A环表示由卡片向读卡器发送一个随机数据RB;B环表示由读卡器收到RB后向卡片发送一个令牌数据TOKENAB,其中包含了读卡器发出的一个随机数据RA;C环表示卡片收到TOKENAB后,对TOKENAB的加密的部分进行解密,并校验第一次由A环中卡片发出去的随机数RB是否与B环中接收到的TOKENAB中的RB相一致;D环表示如果C环校验是正确的,则卡片向读卡器发送令牌TOKENBA给读卡器;E环表示读卡器收到令牌TOKENBA后,读卡器将对令牌TOKENBA中的RB(随机数)进行解密,并校验第一次由B环中读卡器发出去的随机数RA是否与D环中接收到的TOKENBA中的RA相一致。如果上述的每一个环都为“真”,都能正确通过验证,则整个的认证过程将成功,读卡器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作。卡片中的其他扇区由于有其各自的密码,因此不能对其进行进一步的操作。如想对其他扇区进行操作,必须完成上述的认证过程。认证过程中的任何一环出现差错,整个认证将告失败,必须从新开始。上述的叙述已经可以充分地说明了Mifare卡片的高度安全性,保密性,及卡片的应用场合多样性,一卡多用。二、读写卡模块的主导设备非接触式IC卡门禁系统由非接触式IC卡、读卡器和PC管理机组成,此外还包括外部门禁设备。系统工作前,通过读写器中的写卡功能对所有的卡写入指定的数据,在正式的工作中,由读写卡模块的读卡功能将放入感应区的卡中的数据读出,并将数据传输到微处理器中,然后再由微处理器通过对比判断读卡模块上传的数据是否正确,最后根据微处理器得出的结果决定是否开门。结构图如图3所示。1、rc500的控制读写模块中的关键部件是MFRC500。系统单片机对读写模块的操作就是对MFRC500进行控制,通过MFRC500实现对非接触式IC卡的操作。它是单片机与IC卡之间数据传输的桥梁,也是非接触式IC卡与外界通信的媒介,IC卡线圈与射频模块连接着的天线产生共振,进行数据传递,完成卡与射频模块的通信。2、读取器读取电路在微处理器上采用了8951单片机为处理芯片,由于系统中卡方面的功能已经可以用RC500处理,处理器只负责对读写器的读写和外部通讯,所以此单片机完全符合上述功能,微处理器的P0口连接读写卡模块的一些控制信号端口,P1口连接读写卡模块的数据和地址端口。在单机连接使用时可直接使用微处理器的串口,如果是多机连接时,可再加入串口转485模块,这样对每一个使用的系统进行编号处理就构成了多机的联机使用状态,非常适合使用在大型的商场和住宅小区。3、电源转换电路读卡器用串行接口芯片MAX232通过标准的DB9直接与PC机相连。MAX232是MAXIM公司生产的专用串行接口芯片,包括2路接收器和驱动器,我们只用其中一路收发器。芯片内部有一个电源电压变换器可把输入的+5V电源电压变换为RS232输出电平所需的±10V电压(负逻辑)。所以使用此接口芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源。在本设计中硬件上采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手的零MODEM方式,即将PC机和单片机的发送数据线(TXD)与接收数据(RXD)交叉连接,二者的地线(GND)直接相连,而其它信号线如握手信号线均不用,而采用软件握手,这样即可以实现预定的任务又可以简化电路设计,节约了成本。4、天线参数的选取电感藕合式射频识别系统的读写器天线用于产生磁通量,而磁通量用于向非接触式IC卡提供电源并在读卡器与非接触式IC卡之间传输信息。因此,对读卡器天线的构造就有3个基本要求:首先是使天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量;其次是功率要匹配,以最大程度地利用产生磁通量的可用能量;最后是要有足够的带宽,以无失真地传送用数据调制的载波信号。品质因数Q和谐振频率是电感藕合式射频识别系统读卡器天线的特征值,由于品质因数Q会影响天线读写距离,所以是天线设计中的一个重要参数,它可以通过电感线圈的电抗与电阻的比值计算出来,公式是Q=(2πf0Lcoil/Rcoil),较高的品质因数,会得到较高的读卡器天线电压,其中可增加应答器即IC卡的能量传输。与之相反,天线的传输带宽与品质因数Q值成反比。选择的品质因数过高,会导致带宽缩小,从而明显地减弱应答器接收到的调制边带。此外,由于Mifare卡是无源非接触式IC卡,其能量是通过天线感应来的。而且由于受到卡形状的限制,卡中不可能封装很大的天线,使得接收的能量较小,从而决定了读卡器天线读写距离很短,一般在100mm以内。(1)天线大小和读写距离由于MFRC500是低功耗设计,因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值,卡和天线之间的耦合系数不能低于0.3。天线一般设计为三圈,可以设计为圆形或者方形天线。天线的直径必须介于0.5~1.5mm之间。(2)天线电感的计算天线的电感必须介于800nH和1.8μH之间。天线的电感通过下列公式计算:其中:L:读卡器天线电感(单位cm);I:天线导体长度;D:天线导体宽度(必须介于0.5~1.5mm之间);N:天线导体圈数(3圈)。(3)天线匹配电路图天线匹配电路图如图4所示:三、卡片的操作流程读卡器对Mifare卡片的操作流程如图5所示:复位应答操作将通知MFRC500在天线的有效工作范围(距离)内寻找Mifare卡片。如果有Mifare卡片存在,这一操作将分别与每一张Mifare卡片进行通信,读取Mifare卡片上的卡片类型号TAGTYPE(2个字节),由MFRC500传递给MCU,进行识别处理。如果有多余一张的Mifare卡片在读卡器天线的有效工作范围(距离)内,必须执行防重叠操作,返回一张卡片的序列号,作为本次操作的对象。而其它卡片处于等待状态。在成功执行防重叠操作之后,或在任何时候当程序员想实际地与已知序列号的卡片进行通信时,必须执行选择卡片操作,以建立与所选卡片的通信,同时返回该卡片的size(容量)字节。为了保证对卡片操作的合法性,在对卡片进行操作之前必须在卡片和读卡器之间进行认证操作。读卡器对任何一张Mifare卡片进行任何操作都要经过上述几个步骤,之后就可以具体地对卡片进行相应的读、写等操作。读卡器主程序框图如图6所示。此设计比传统的单机门禁系统有所改进,方法是把卡片的序列号存到门控制器的存储器中,控制器负责遍历存储器的卡片序列号,判断是否可以开门。把卡片信息存在锁中,每次刷卡遍历存储器,有与之匹配的就开门,这样可以自由增减门用户,不会因为丢失卡而要重新设置门,你只需要把卡片信息从门锁存储器中删除就可以了。传统的单机门禁系统是以一对多的思想设计的,锁中存着密码,可以设置任意多张的用户卡,但它主要存在安全系数不高的缺陷。一旦密码泄露则能够仿造,当用户卡遗失时,必须重新设置门锁密码,而且所有的用户卡需重新刷卡系统才能正常工作。私钥加密算法和哈希值加密算法是本设计中用到的加密方法。其中私钥加密中使用单个私钥来加密和解密数据。哈希算法将任意长度的二进制值映射为固定长度的较小二进制值,这个小的二进制值称为哈希值,哈希值是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。在本系统中,数据在读卡系统和微控制器之间相互传输,微控制器接受由读卡系统发送来的用户数据。数据在读卡系统中,首先对要传送的数据使用哈希算法将得到数据的哈希值,然后使用用户的自有私钥密码对数据和使用哈希算法得到的哈希值加密,然后传到微控制器中,再由微控制器对得到的数据进行解密,恢复传输的原始数据。本模块的设计主要使用的是数据加密算法的专业编程语言。功能是将IC卡模块中的数据进行加密处理,然后将加密的数据传出和对接受的数据进行解密处理。但由于两种语言的不一致性,通过微处理器读取的数据不能直接通过加密算进行加密处理,所以在此程序中特意编写了誉为控制器通信的通信端口,将微处理器得到的数据通过此端口传入数据的加密算法程序中。对数据进行加密处理后,再通过此端口将数据传到微处理器中,这样就方便两种语言进行数据的转换和传递。四、天线的参数设计非接触式IC卡技术先进,具有接触式IC卡、磁卡等其它卡不可比拟的优势,应用范围广泛,能够在大多数场合代替接触式IC卡的使用。针对不同的应用场合,非接触式IC卡可以使用同一种IC卡,但是读卡器必须针对不同的应用场合单独设计。本课题开发了一种基于Philips公司Mifare技术的非接触式IC卡读卡器,它能够读写距离在100mm范围内的符合IEC/ISO14443TypeA标准的非接触式IC卡。图中电容C23、C24、C26、C27(通称C2)的值是由天线的电感值决定的,并且需要根据天线的形状进行调整。C2电容值的大小严重影响读卡器的性能,也就是影响读卡器的