RFID射频识别技术 课件 第2章 门禁管理系统

《门禁管理系统》项目2本章学习目标（1）了解什么是RFID技术（2）理解RFID技术的分类（3）了解RFID的应用（4）掌握RFID的系统架构任务一通过门禁系统添加门禁卡任务要求要求在门禁管理系统中发布三张门禁卡，门禁卡的用户信息如下表2-1-1所示，最终的结果呈现要求在出入记录查询中可以查询到这三人的门禁刷卡记录。

表2-1-1用户信息任务一通过门禁系统添加门禁卡姓名业主编号张三1号楼203室李四2号楼501室王五3号楼303室了解门禁系统的基本组成了解门禁系统的现状和发展趋势掌握门禁卡的特性了解RFID的分类任务目标任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍

门禁系统设计门禁卡门禁系统现状和发展趋势门禁系统的应用知识储备任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统。包括：门禁控制器、读卡器、电控锁以及其他设备。任务一通过门禁系统添加门禁卡Page

8图2-1-1门禁系统示意图任务一通过门禁系统添加门禁卡1）门禁控制器门禁控制器是系统的核心部分，相当于计算机的CPU，它负责整个系统输入、输出信息的处理和储存，控制等等。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍图2-1-2门禁控制器实物图2）读卡器门禁用的非接触IC卡(感应式IC卡)读卡器是门禁系统的重要组成部分，是门禁系统信号输入的关键设备，关系着整个门禁系统的稳定性。一款带密码输入的门禁读卡器实物图任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍图2-1-3门禁读卡器实物图3）电控锁门禁系统中锁门的执行部件。用户应根据门的材料、出门要求等需求，选取不同的锁具。主要用电磁锁，并且电磁锁断电后是开门的，符合消防要求。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍图2-1-4门禁电控锁实物图4）其他设备出门按钮：按一下打开门的设备，适用于对出门无限制的情况。门磁：用于检测门的安全/开关状态等。电源：整个系统的供电设备，分为普通和后备式（带蓄电池的）两种。报警器：非正常操作时发生警报。如太久没关门，或非法传入。传输部分：传输部分主要包含电源线和信号线。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统介绍门禁系统中最基本也是最重要的3个模块功能，分别是门禁卡发卡、出入门禁管理、出入记录查询。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统设计图2-1-6基本拓扑图任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统设计1）发卡用于添加一张门禁卡使用，门禁系统中要使手里的门禁卡能够刷卡，就必须先在系统中添加上该门禁卡的信息，这里主要是向门禁卡中写入员工信息，包含用户的姓名和部门。同时，在门禁管理系统软件中记录该门禁卡的卡号信息。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统设计2）出入门禁由于实验无法真实的使用现实门禁系统设备，所以这里设计了一个出入门禁模块，如下图2-1-7所示，当使用门禁卡刷卡时，门会自动打开，该模块用于模拟员工进出时的刷卡效果。图2-1-7门禁刷卡任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统设计3）出入记录查询用于查询某一用户的进出情况，通过此项可以监控到何时某员工进出该办公室，这对于监控办公的安全方面非常重要，记录的查询必须使用刷卡的方式进行查询。分类1)根据外形

可分为标准卡与异形卡。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁卡图2-1-8门禁卡样品门禁卡是用于门禁系统中的卡，如出入证、门禁卡、停车卡、会员卡等；门禁卡在发放最终用户使用前，经由系统管理员设置，确定可使用区域及用户权限，用户使用门禁卡刷卡进入管理区域，无门禁卡或权限未开通用户，不能进入管理区域。分类2)按卡片种类磁卡（ID卡）：优点是成本较低；一人一卡，安全一般，可联微机，有开门记录。缺点是卡片设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制；不易双向控制。卡片信息容易因外界磁场丢失，使得卡片无效。射频卡（IC卡）：优点是卡片与设备无接触，开门方便安全；寿命长，理论数据至少十年；安全性高，可联微机，有开门记录；可以实现双向控制；卡片很难被复制。缺点是成本较高。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁卡从外观上观察，钥匙扣卡一般都是ID卡，厚卡（一边带方孔，如下图ID厚卡)一般都是ID卡，。下面主要就区分IC薄卡和ID薄卡。在比较黑暗的地方用手电筒照向卡，观察卡片里面的线圈，可以根据线圈的线径区别是IC卡还是ID卡，一般ID卡的线径为3-8mm,IC卡的线径为1-2mm，具体如下图：分类3)按读卡距离接触式门禁卡：门禁卡必须与门禁读卡器接触才能完成工作任务。感应式门禁卡：门禁卡在门禁系统感应范围内即可完成刷卡任务。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁卡任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统现状和发展趋势分类1）密码识别门禁系统通过检验输入密码是否正确来识别进入权限。这类产品又分为两类，一类是普通型，一类是乱序键盘型(键盘上的数字不固定，不定期自动变化)。优点：操作方便，需携带卡片，成本较低。缺点：安全性较差容易泄露，只能单向控制，没有开门记录，按键容易损坏、失灵图2-1-10密码识别门禁2）刷卡识别门禁系统

根据卡片的种类可以分为接触卡门禁系统(磁条卡、条码卡)和非接触卡(又叫感应卡、射频卡)门禁系统。接触类产品的由于接触使用的卡片容易磨损且信息易复制、易被外界磁场干扰致使失效，使用场景较少，一般只在和银行卡(磁条卡)有关的场合被使用。非接触卡具有使用方便、耐用性强、读取速度快、安全性较高等优势。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统现状和发展趋势3）生物识别门禁系统

通过检验人员生物特征等方式来识别进出。有指纹型、掌形型、虹膜型、面部识别型、手指静脉型等等。优点是不会遗失、不会被窃、无记忆密码负担、安全便捷。但目前生物识别的稳定性和准确性还在进一步提升，产品价格也较之前两类偏高，适用场景也有一定的局限性。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统现状和发展趋势图2-1-11指纹门禁4）新型门禁系统

近年来出现的二维码、蓝牙、WIFI等新形式开门的门禁系统。住户通过手机APP验证身份后，即可在门禁机附近使用手机APP开门，同时住户还可以生成授权访客开门的二维码图片，并分享给访客，访客的二维码有时间和开门次数的限制。任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统现状和发展趋势图2-1-11指纹门禁任务一通过门禁系统添加门禁卡门禁系统的应用门禁系统在办公大楼中的应用门禁系统在社区管理中的应用门禁系统在政府办公中的应用门禁系统在教育医疗中的应用门禁系统在通讯基站中的应用门禁系统在电梯控制上的应用射频识别技术典型的工作频率有：125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902~928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有：125KHz，133KHz。任务实施1）该任务需要用到低频RFID读写器和RFID卡，将低频RFID读写器的usb口连接至电脑usb口，如下图2-1-12所示。1、任务环境准备任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-12设备连接图2）安装设备驱动程序，运行“项目二\驱动\CP210xVCPInstaller.exe”如图2-1-13所示，点击“Install”按钮安装USB转串口驱动程序如图2-1-14所示，安装成功后可在计算机设备管理器中查看COM口状态，如图2-1-15所示。任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-13任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-14图2-1-153）连接配置，用记事本打开修改“Canteen.exe.config”文件COM口，如图2-1-16所示，修改COM口数值使之正常工作，如图2-1-17所示。任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-16图2-1-17任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-16图2-1-171）运行目录中门禁系统“GateSys.exe”应用程序，完成以下情景任务。软件主界面如图2-1-18所示。2、程序运行任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-18门禁系统操作界面2）发卡操作，某小区全部实行智能门禁系统，需要给业主分发门禁卡，信息如表2-1-2所示，录入信息如图2-1-19所示任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡姓名业主编号张三1号楼203室李四2号楼501室王五3号楼303室表2-1-2门禁卡发卡表图2-1-19发卡操作界面1）门禁出入测试，模拟小区业主进行三天的门禁出入操作，操作时间如表2-1-3所示，操作界面如图2-1-20所示3、结果验证任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡姓名时间张三每日上午8点出门李四每日上午9点出门王五每日下午10点出门表2-1-3门禁卡出入测试情况表图2-1-20出入门禁界面2）门禁卡出入信息查询，上完成上述出入记录后，使用“查询按钮”查看三人历史记录，如图2-1-21所示任务实施任务一通过门禁系统添加门禁卡图2-1-21出入记录查询界面RFID（RadioFrequencyIdentification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。知识拓展RFID概述完整的RFID系统由阅读器、应答器即电子标签、应用管理系统三部分组成，如图所示。知识拓展RFID概述（3）RFID技术的分类按照供电方式分类：有源系统、无源系统、半有源系统按照标签与读头之间数据交换进行分类：主动式、被动式、半主动式。按照通信方式分类：全双工系统、半双工系统、时序系统按照读写方式分类：可读、可读写、内置处理器和传感器；RFID按使用频率分类：低频（LF）、高频（HF）、超高频（GHF）和微波（Microwave）；RFID技术分类知识拓展知识拓展RFID技术分类能量供应寿命读写距离尺寸成本有源标签内置电池电池需要能量几十米到100m大、厚、重高无源标签无源、利用电磁场获取能量寿命更长，免维护可达3~5m一般为10~40cm小、薄、轻低表2-1-4有源标签和无源标签的比较（1）有源供电RFID系统有源供电RFID系统中的主动式标签由于其自身有能量供应，因此无需阅读器提供能量。主动式标签自身带有电池或其他电源供电，读写距离较远，同时体积较大，与被动式标签相比成本更高，也被称为有源标签。图2-1-23为一款有源RFID卡。知识拓展RFID技术分类图2-1-23有源RFID卡（2）无源供电RFID系统无源供电RFID系统中的被动式标签从读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动式标签更小也更轻，也被称为无源标签。图2-1-22为一款无源RFID卡。知识拓展RFID技术分类图2-1-22无源RFID卡2）按电磁波的频率分类根据电子标签和读写器之间传输信息所使用的频率，RFID系统可分为四种频率的系统：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波。四种频率的RFID特点可看下表2-1-5。RFID技术分类知识拓展知识拓展1）智能交通系统高速公路自动收费系统是射频识别技术最成功的应用之一。在车辆高速通过收费站的同时自动完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高了车行速度，避免了拥堵，提高了收费计算效率，同时可以解决收费员贪污收取的过路费的问题。RFID技术在各领域的应用图2-1-24ETC应用RFID系统可分为四种频率的系统：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波。知识拓展2）生产的自动化及过程控制RFID技术因其具有抗恶劣环境能力强、非接触识别等特点，在生产过程控制中有很多应用。通过在大型工厂的自动化流水作业线上使用RFID技术，实现了物料跟踪和生产过程自动控制、监视，提高了生产效率，改进了生产方式，降低了成本。易碎纸质防伪标签RFID技术在各领域的应用图2-1-25RFID标签在流水线中应用RFID系统可分为四种频率的系统：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波。知识拓展3）电子票证使用电子标签来代替各种“卡”，实现非现金结算，解决了现金交易不方便也不安全以及以往的各种磁卡、IC卡容易损坏等问题。同时电子标签用起来方便、快捷，还可以同时识别几张电子标签，并行收费。常用语会议、演唱会、球赛等会场检票RFID技术在各领域的应用图2-1-26为RFID在门票中的应用RFID系统可分为四种频率的系统：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波。知识拓展4）货物跟踪管理及监控射频识别技术为货物的跟踪管理及监控提供了方便、快捷、准确的自动化技术手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围内最大的货物跟踪管理应用。将记录有集装箱位置、物品类别、数量等数据的电子标签安装在集装箱上，借助射频识别技术，就可以确定集装箱在货场内的确切位置。系统还可以识别未被允许的集装箱移动，有利于管理和安全。RFID技术在各领域的应用图2-1-27RFID在物流中的应用知识拓展5）动物跟踪和管理射频识别技术可以用于动物跟踪与管理。将用小玻璃封装的电子标签植于动物皮下，可以标识牲畜，监测动物健康状况等重要信息，为牧场的管理现代化提供了可靠的技术手段。在大型养殖场，可以通过采用射频识别技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化管理牲畜的目的，同时为食品安全提供保障。RFID技术在各领域的应用图2-1-28RFID在生猪养殖中的应用RFID系统可分为四种频率的系统：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波。知识拓展7）防伪伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题，现在应用的防伪技术如全息防伪等同样会被不法分子伪造。将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势，它具有成本低而又很难伪造的优点。电子标签的成本相对便宜，且芯片的制造需要有昂贵的工厂，使伪造者望而却步。电子标签本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据，利于进行真伪的鉴别。利用这种技术不用改变现行的数据管理体制，唯一的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。RFID技术在各领域的应用知识拓展1）抗干扰能力强

它有一个最重要的优点就是非接触式识别，它能在急剧恶劣的环境下都可以工作，可以并且穿透力极强，可以快速识别并阅读标签。2）安全性高RFID标签的核心技术之一是芯片，众所周知芯片开发的难度之大，造价之高。对于造假者而言，复制成本太高，且难以突破技术关卡。此外电子标签具有可靠的安全加密机制，我国第二代居民身份证也是采用RFID技术。3）信息存储量大电子标签可存储更多信息，如生产日期、入库日期等，还可反复改写，重复使用。读取后的数据也即时上传系统加以处理，还可实现对产品的追根溯源，远远高于条形码的容量。RFID技术的特点知识拓展4）可重复使用现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。5）保存周期长RFID标签具有防水、防磁、防腐蚀、耐高温的特点。如洗衣行业、动物饲养行业、医疗行业等，都对标签耐用性有较高要求。目前一般的标签保存时间都可以达到几年、十几年甚至几十年。6）识别速度快只要RFID标签一进入解读器的有效识别范围内，就马上开始读取数据，一般情况下不到100毫秒就可完成识别，在解读器有效识别范围内，它还可以同时读取多个RFID标签。RFID技术的特点THANKS！任务二复制一张门禁卡任务二复制一张门禁卡假设你是一位锁匠，现在有位客户，要求你再为他配置一张门禁卡，最终结果要求该门禁卡可以正常刷卡使用，和用户手中的门禁卡功能一样。任务要求了解RFID系统的基本组成了解RFID标签组成结构掌握RFID系统工作流程掌握RFID标签的特点任务目标任务二复制一张门禁卡RFID系统的基本组成RFID标签RFID读写器知识储备任务二复制一张门禁卡任务二复制一张门禁卡RFID系统的基本组成图2-2-1RFID系统架构一般而言，RFID系统由5个组件构成，包括传送器、接收器、微处理器、天线，标签。如下图2-2-1所示，其中传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为阅读器、天线和标签三大基本组件，这三大基本组件一般都可由不同的生产商生产。标签（Tag）：由芯片及内置天线组成。阅读器（Reader）：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。天线（Antenna）：天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。任务二复制一张门禁卡RFID系统的基本组成任务二复制一张门禁卡RFID系统的基本组成工作流程RFID标签

RFID电子标签也叫RFID卡、非接触式IC卡，它和阅读器之间利用RFID无线通信技术实现非接触通信。RFID电子标签是线圈和芯片两部分组成，每个标签内部有唯一的电子编码，也叫卡号。当标签附着在物体上时，可以用该卡号来标识目标对象。标签的内部结构如下图2-2-3所示。任务二复制一张门禁卡图2-2-3RFID系统架构任务二复制一张门禁卡RFID标签卡片标签图2-2-4RFID系统架构标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。下面图2-2-5所示的是卡的能量获取方式。任务二复制一张门禁卡RFID标签工作原理图2-2-5RFID卡能量获取条形码RFID样式

原理光学电磁学容量小较大操作人工干预自动、批量信息固定可擦写价格很低较贵环境洁净恶劣环境应用商品教育海量物品RFID技术与条码技术对比任务二复制一张门禁卡RFID标签标签根据是否内置电源，可以分为三种类型：无源标签、有源标签和半有源标签。(1)无源标签无源标签的内部没有电源，其内部集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。无源标签的通信频率可以是低频(LF)、高频（HF）或超高频(UHF)。无源标签主要用于工业自动化、资产管理、货物监控、个人标识和访问控制等领域。任务二复制一张门禁卡RFID标签分类(2)有源标签有源标签的内部携带有电源。电源设备和与其相关的电路决定了有源标签要比无源标签体积大、价格昂贵。有源标签通信距离远，最大可达上百米远。有源标签有两种工作模式：一种是主动模式，在这种模式下标签主动向四周进行周期性广播，即使没有阅读器存在也会这样做;另一种为唤醒模式，为了节约电源并减小射频信号噪声。标签一开始处于低耗电量的休眠状态。阅读器识别时需先广播一个唤醒命令，只有当标签接收到唤醒命令时才会开始广播自己的编码。这种低能耗的唤醒模式通常可以使主动式标签的寿命长达好几年。任务二复制一张门禁卡RFID标签分类(3)半有源标签半有源标签有无源标签和有源标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、移动性等。和有源标签不同的是，它们的通信并不需要电池提供能量，而是像无源标签一样通过阅读器发射的电磁波取通信能量。任务二复制一张门禁卡RFID标签分类标签读写性能标签通信时序标签的封装材料标签的封装形状任务二复制一张门禁卡RFID标签（1）成本（2）数据基础（3）业务流程（4）技术基础（5）标准化问题任务二复制一张门禁卡RFID标签有待解决的问题RFID读写器阅读器是RFID系统最重要也最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又被称为询问器(Interrogator)。图2-2-6给出了几种不同外观的阅读器。任务二复制一张门禁卡图2-2-6各种外观的RFID读写器任务二复制一张门禁卡RFID读写器阅读器工作的时候一方面通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，另一方面通过天线同RFID标签通信。根据不同的应用场合，有时阅读器会和天线进行分开，或者一个阅读器外接多个天线，如下图2-2-7所示1、2、3、4引脚时用来连接外设天线。图2-2-7一拖四阅读器图2-2-8物流应用有时为了方便使用，会将阅读器和天线以及智能终端设备集成在一起形成可移动的手持式阅读器。下下图2-2-9所示的PDA设备，具带有条码扫描功能，也带有读写RFID功能。任务二复制一张门禁卡RFID读写器图2-2-9带RFID功能的PDA设备RFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。任务二复制一张门禁卡RFID读写器工作原理电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。（1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如右图所示。任务二复制一张门禁卡RFID读写器耦合方式（2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。任务二复制一张门禁卡RFID读写器耦合方式（1）RJ45RJ45就是通常我们见的网线接口，RJ45中8条线分成4组，分别由红白、红、绿白、绿、蓝白、蓝、棕白、棕共8种单一颜色或者白条色线组成。RJ45传输信号较远，采用的是TCP／IP协议。（2）RS-232RS-232是目前比较流行的计算机串行接口。常用的RS-232接口有DB9和DB25两种形式。RS-232是电子工业联合会开发的实现广泛的串行传输接口，用来连接数据终端设备到数据通信设备。由于抗静电能力弱，所以只能短距离传输通信。任务二复制一张门禁卡RFID读写器接口类型（3）RS-485RS－422是使用双交线的全双工接口，比RS-232抗干扰能力更强。可以传输更远的距离，其接口通常由一正一负组成。（4）USBUSB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。任务二复制一张门禁卡RFID读写器接口类型任务二复制一张门禁卡RFID读写器动动手，图2-2-10中各个接口分别对