基于RFID的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

門禁系統(tǒng)，又稱為出入口控制系統(tǒng)，是對重要區(qū)域或通道的出入口進(jìn)行管理與控制的系統(tǒng)。隨著社會的發(fā)展，它已不局限于簡單的對門鎖或鑰匙的管理，而是集自動識別技術(shù)和現(xiàn)代化管理技術(shù)與一體的新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，已成為安全防范系統(tǒng)中極為重要的一部分，被廣泛應(yīng)用中智能大廈、辦公室、賓館等場合。目前，門禁系統(tǒng)的控制手段主要有：指紋識別、人臉識別、虹膜識別和射頻卡等。前3種方式都屬于生物識別技術(shù)，是以人體某部分的特征為識別載體和手段，其唯一性和不可復(fù)制性決定了其是最安全的身份驗(yàn)證方法，但其價(jià)格昂貴，難以普及，且涉及到個(gè)人隱私，只適用于高端和絕對機(jī)密的場所。

　　射頻卡是無線射頻技術(shù)和智能卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其具有使用簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

　　為了提高門禁系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，介紹了一種基于Web技術(shù)的門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)，當(dāng)讀寫器的射頻范圍內(nèi)出現(xiàn)非接觸式IC卡時(shí)，讀卡并將信息通過串口通信傳送給服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，并構(gòu)建了基于C/S模式的管理平臺，管理員可通過Web網(wǎng)頁對門禁控制器查詢和控制，從而有效地實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置對信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　1? 系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)采用非接觸式IC卡，利用無線射頻識別技術(shù)RFID（RadioFrequencyIdentification）檢測IC卡，當(dāng)IC卡靠近讀寫器時(shí)，讀寫器能準(zhǔn)確地對其識別，并將其序列號發(fā)送給主控器和PC機(jī)，通過應(yīng)用程序連接后臺數(shù)據(jù)庫獲取與該卡號對應(yīng)的用戶信息。

　　若該卡已進(jìn)行注冊，則通過驗(yàn)證并通知控制器開門，并記錄卡號和開門時(shí)間，反之則禁止通行并告知持卡人離開。

　　系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、串口通訊、服務(wù)器和用戶終端五部分組成。如圖1所示。讀寫器是系統(tǒng)的核心，其通過射頻信號與IC卡（電子標(biāo)簽）通信，完成讀卡、存儲和發(fā)送數(shù)據(jù)的工作，其可以獨(dú)立工作，也可聯(lián)網(wǎng)工作，文中采用RS232串口通信與服務(wù)器相連。

　　服務(wù)器和用戶端之間采用C/S結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軟件與數(shù)據(jù)庫SQLSERVER2000連接通過ADO對象實(shí)現(xiàn)，兩者通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在系統(tǒng)管理員授予權(quán)限的情況下，用戶均可以查詢、統(tǒng)計(jì)、打印管理系統(tǒng)的所有相關(guān)記錄。

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　　2? 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1? 硬件總體設(shè)計(jì)

　　射頻讀寫器是系統(tǒng)的核心，由主控電路、射頻讀寫電路、天線耦合電路和天線等電路組成，負(fù)責(zé)對射頻信號的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，完成對IC卡序列號讀取的任務(wù)，如圖2所示。

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　　電子標(biāo)簽，即射頻卡，由IC卡片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡內(nèi)，芯片及其天線無任何外露部分?？ㄆ瑹o需電源，在一定范圍內(nèi)靠近讀寫器時(shí)，通過天線的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。本文選用Philips公司的Mifare1卡，該卡基于ISO14443TYPEA國際標(biāo)準(zhǔn)，每張卡具有全球唯一的序列號，具有防沖突功能。

　　天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為卡片提供電源，在讀寫器和卡片之間傳送信息。天線的有效電磁場范圍就是系統(tǒng)的有效工作區(qū)域。

　　讀寫芯片選取Philips生產(chǎn)的用于讀寫Mifare1卡的專用芯片MFR500,工作頻率為13.56MHz。

　　主控器由AT89S52單片機(jī)及其外圍電路組成，負(fù)責(zé)控制讀寫模塊、與PC機(jī)間的串口通信和對外部設(shè)備的控制操作。其中單片機(jī)對讀寫模塊的操作就是通過控制MFRC500來實(shí)現(xiàn)對Mifare1卡的操作。

　　它是單片機(jī)與IC卡之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

2.2? 射頻電路設(shè)計(jì)

　　射頻電路的核心是讀寫芯片MFRC500,它是單片機(jī)與IC卡之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

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　　單片機(jī)對讀寫芯片采用中斷控制方式，中斷控制口INT0與MFRC500的IRQ腳相連。MFRC500內(nèi)部有64個(gè)寄存器，單片機(jī)通過往寄存器里寫入控制命令來對其進(jìn)行配置和操作，其中掉電檢測引腳RSTPD連接單片機(jī)P2.0腳，NCS腳連接P2.7腳，NWR、NRD分別連接至單片機(jī)讀寫端口WR、RD腳，數(shù)據(jù)口D0~D7連接至單片機(jī)P0口石英晶體振蕩器產(chǎn)生13.56MHz的工作頻率，L1、L2、C5、C6構(gòu)成的低通濾波器用于抑制晶振電路同時(shí)產(chǎn)生的高次諧波。接收電路由R1、R2、C3、C4組成，采用MFRC500內(nèi)部產(chǎn)生的VNID電勢作為RX腳的輸入電勢，為了減少干擾，VIND腳連接一電容C3到地，且必須在RX和VNID之間連接一個(gè)分壓器（R1），最好還在天線線圈和反壓器之間串連一個(gè)電容（C4）。為了獲得更好的性能，在電路板布線時(shí)，這些元件應(yīng)緊靠MFRC500芯片天線引腳RX、TX1、TX2。

　　2.3? 天線電路設(shè)計(jì)

　　為了獲得穩(wěn)定可靠的射頻信號，天線的性能至關(guān)重要，其直接影響了讀寫器的作用距離和靈敏度。天線的性能與其品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，Q與天線的幾何形狀、大小、圈數(shù)等因素有關(guān)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是近距離耦合式IC卡，天線制作選用PCB天線，即直接在PCB板上制作天線電路板，該法穩(wěn)定性較好。

　　天線連接到讀寫芯片時(shí)，需要外加匹配電路。如圖4所示。系統(tǒng)對天線進(jìn)行了大致估算，并通過改變匹配電路的電容值，以達(dá)到最佳的讀寫距離。

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　　3? 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)管理系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中下位機(jī)以AT89S52單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對讀寫器的讀取、門禁的控制和串口通信。采用的編程語言是C語言，編譯器是KeilC51。上位機(jī)管理軟件運(yùn)行在服務(wù)器上，采用VisualC++6.0和SQLSever2000進(jìn)行系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)庫開發(fā)，包括串口通信、監(jiān)控管理和信息發(fā)布三部分。其中監(jiān)控管理軟件用于實(shí)現(xiàn)用戶注冊、記錄查詢、刪除等任務(wù)，信息發(fā)布用于管理員通過web網(wǎng)頁來查看門禁的日志記錄等工作。

　　3.1? 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件運(yùn)行在單片機(jī)上，完成對卡號的讀取、門鎖及附屬電路的控制和串口通信。如圖5所示流程圖。軟件核心是實(shí)現(xiàn)MFRC500與Mifare1卡之間的通信，通信需遵循ISO14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。讀卡過程必須嚴(yán)格按照固定的順序進(jìn)行，即復(fù)位應(yīng)答防碰撞選卡認(rèn)證讀寫卡。由于該卡是可讀式，只需讀出卡的序列號即可，不需對相應(yīng)扇區(qū)做寫操作，故可忽略認(rèn)證這一步。主要代碼如下：

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3.2? 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　在VC++6.0編程環(huán)境下，利用CSerialPort類來實(shí)現(xiàn)串口通訊，接收發(fā)送而來的IC卡序列號，而后通過ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫獲取該卡對應(yīng)的用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證處理。

　　系統(tǒng)基于SQLSERVER2000進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)，管理員進(jìn)入系統(tǒng)必須輸入帳號和密碼，以阻止非系統(tǒng)管理員非法登錄系統(tǒng)。之后管理員可完成對卡號信息的注冊、查詢、修改和刪除等工作，并將來訪信息（用戶和通行時(shí)間）記錄在數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢等。監(jiān)控管理軟件的功能模塊如圖6所示。

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　　信息發(fā)布模塊基于ASP.net實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程主要是通過ado.net讀取SQLServer數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控管理信息表，做成信息發(fā)布網(wǎng)站部署到IIS服務(wù)器，這樣，用戶就可以以訪問網(wǎng)頁的形式在任何位置查看系統(tǒng)信息和門禁記錄。

　　4? 程序運(yùn)行

　　以桂林電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室門禁管理為例，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。管理員輸入帳號和密碼后，進(jìn)入如圖7所示的監(jiān)控管理軟件主界面。

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　　經(jīng)測試，IC卡有效工作距離為6cm。當(dāng)IC卡響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)自動顯示卡號、持卡用戶信息以及進(jìn)入時(shí)間，并自動存入后臺數(shù)據(jù)庫。由于Mifare1卡具有全球唯一的序列號，故會員注冊時(shí)可將會員信息與IC卡序列號捆綁在一起存入數(shù)據(jù)庫。這樣查閱信息時(shí)可按照時(shí)間或直接按照姓名進(jìn)行精確查找。

　　5? 結(jié)語

　　提出的基于RFID和Web服務(wù)的門禁管理系統(tǒng)為重要部門的出入提供了智能化控制和遠(yuǎn)程管理機(jī)制。采用無線射頻技術(shù)RFID實(shí)現(xiàn)無鑰匙化出入，不易損失、可重復(fù)使用；采用SQL數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)門禁的遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作方便、靈活且安全，在智能家居、辦公室出入、物流等場合具有廣闊的應(yīng)用前景。

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