（信号与信息处理专业论文）高档别墅区智能门禁管理系统设计.pdf

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c o n t e c tc p uc a r d 一7 0 4 2 4p e r f o r m a n c eo fm u l t i p r o t o c o lr e a d e r 7 1 4 3s o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e dg a t e w a y 7 2 4 3 1p o r t i n go fl w i ps t a c k 7 2 4 3 。2p e r f o r m a n c eo f 】 j w i ps t a c k 7 6 4 3 3p r o t o c o le x c h a n g eo fe m b e d d e dg a t e w a y 7 7 4 4s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 7 7 c h a p t e r vs o f t w a r ed e s i g no fi n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e mo np c 7 8 5 1f u n c t i o na n dd e v e l o p m e n to fm a n a g e m e n tw e b s i t es y s t e m 7 8 5 2d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f a u t h o r i z a t i o nd o w n l o a ds y s t e m 81 5 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 8 2 c h a p t e rv ic o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 8 3 r e f e r e n c e s 8 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 9 a c a d e m i ca c h i e v e m e n m 9 ( ) 4 山东大学硕士学位论文 摘要 随着当今社会信息化程度的逐步提高，人们对房间出入管理的要求也越来越 高，尤其是在智能化的写字楼、政府办公机构、学校以及企事业单位等地，单纯 的门道和钥匙管理在可靠性、安全性、方便性以及紧急事故处理等方面都显示出 了诸多不便。而近年来物联网的迅猛发展也催生了新一代智能门禁管理系统的出 现，它集射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f l d ) 、电子锁智能控制、智 能视频监控、智能数据传输以及信息化房间管理为一体，可以对人员进行分时段、 分地点的授权，实现对人员进出场所的智能管理；可以通过智能视频监控实时观 察每个场所的人员进出情况；可以储存人员进出记录、状态记录，并可按多种方 式进行查询；可以与用户的手机直接连接，方便用户随时查看房间的人员进出情 况，同时当有未经授权的人员试图进入房间时，门禁管理系统能够主动向用户手 机发出报警信息；可以与消防系统进行联动，在出现火灾等紧急事故时自动打开 所有房问的电子锁，方便逃生。 本论文中的门禁系统针对高档别墅区对安全性的高要求进行了独特设计，采 用中华人民共和国二代身份证或者非接触式的c p u 卡片作为门禁钥匙卡，使得卡 片的复制几乎不可实现；采用内嵌有安全认证模组( s e c u r e a c c e s sm o d u l e ，s a m ) 的读卡器，采用3 d e s 加密算法和m a c 报文加密对每张卡片进行加密，实现一卡 一密，进一步提高了系统的安全性，同时s a m 犹如读卡器的身份证，使得读卡器 的合法性也可以得到认证。随着物联网的高速发展，人们越来越倾向于使用z i g b e e 技术在家庭中组建小型无线传感网，实现智能化家居检测与控制。本论文中的门 禁系统在门禁控制器上扩展了7 8 0 m h z 的z i g b e e 接口，最终通过嵌入式网关将 z i g b e e 网络通过t c p i p 接口与互联网相连。这种设计首先预留了与智能家居系统 的接口，可以使门禁控制器融入智能家居的z i g b e e 网络中，形成一个整体系统； 其次，使用无线的z i g b e e 通信代替有线的r s 4 8 5 ，降低了施工难度与布线成本： 再次，利用z i g b e e 通信距离较远的特点，可以实现对进出人员的远距离识别，可 以将门禁系统引入停车场，实现车辆的不停车出入管理。门禁管理系统的软件系 统分为管理网站系统和授权下发系统，其中管理网站子系统采用b s 架构，可以 5 山东大学硕士学位论文 极大的降低客户端电脑的负荷，方便系统的升级，减轻维护的成本，同时采用u s b k e y 进行用户身份认证，具有极强的安全性；授权下发子系统采用c s 架构，具有 比较强的自主性。 本论文主要从硬件系统和软件系统两个方面对智能门禁控制系统进行了详细 设计。硬件系统方面首先介绍了智能门禁控制器，它采用a r m 控制芯片，扩展出 7 8 0 m h z 的z i g b e c 接口：其次介绍了可以识别多种智能卡的加密读卡器的制作方 法；最后介绍了嵌入式网关的设计。软件系统方面介绍了门禁管理网站系统和授 权下发系统。 关键词：门禁控制器，r f i d ，l w i p ，b i t c l o u d 6 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a l l yi m p r o v i n go fs o c i a li n f o r m a t i z a t i o nl e v e l ，t h er e q u i r e m e n t s f o r t l l er o o mm 趾a g e m e n ti sa l s og e t t i n gm u c hh i g h e r , e s p e c i a l l yi nt h ei n t e l l i g e n to f f i c e ， g o v e 衄e n to f f i c e ， s c h o o la n de n t e r p r i s e ， e t c ， a n dt h es i m p l ed o o r w a y sa n dk e y m 肌a g c m e n ts h o w e dal o t o fi n c o n v e n i e n c ei ns a f e t ya n dc o n v e m e n c ew h a t e v e r r e l i a b i l i t ya n de m e r g e n c y h o w e v e r , t h ei n t e m e t o ft h i n g sr a p i d l yd e v e l o p e dmr e c e n t y e a r sh a sg i v e nb i m lt oan e wg e n e r a t i o no fi n t e l l i g e n c ea c c e s sm a n a g e m e n ts y s t e m ， w h i c hc o n t e n t sn l em d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，i n t e l l i g e n tl o c k sc o n t r o l ， i r l t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ，i n t e l l i g e n td a t at r a n s m i s s i o n a n di n f o r m a t i z a t i o n0 tt h er 0 0 m m 锄a g 锄e n ta saw h o l e ，t or e a l i z et h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t o fp e t s o 皿e lp 弱s l n gm 锄do u t 血0 u g hp e r s o n n e la u t h o r i z i n gi nd i f f e r e n tp e r i o d ；t or e a l i z et h eo b s e r v a t i o n0 t n 眦p e o p l ei na n do u to fe a c hd o o r w a yt h r o u g hi n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g ；t o 托a l l 孺 a n e n d a i l c e 氕m c t i o nt h r o u g hs t o r i n gt h er e c o r do fi n - a n d 。o u ta n di n d e x i n gb y v a r l o l l $ m e a 璐：t 0r e a j i z ct l l ec o n v e r s a t i o nw i t ht h ec e l lp h o n e so fu s e r s ；t or e a l i z em el i n k a g e w i mm ef i 托c o n 仃d l l i n gs y s t e m ，a u t o m a t i c a l l yo p e na l lt h ee l e c t r o n i cl o c kf o rp e o p l et o e s c a p ea ta n yt i m ei n c a s eo fe m e r g e n c y , f i r ef o re x a m p l e t h ea c c e s sc o n 缸d u i n gs y s t e mi n t h i st h e s i sh a sl o t so fs p e c i a ld e s i g nw h i c h m a t c h e st h eh i g h l yr e q u i r eo fs e c u r i t yi nv i l l ae s t a t e t h ea c c e s sc o n t r o l l i n gs y s t e 】：n t a l 【e sm es e c o n d g e n e r a t i o ni dc a r d so fc h i n aa n d n o n - c o n t a c tc p uc a r d sa si t sk e y c a r d s t h e s ec 盯d sa 他i m p o s s i b l et ob ec o p i e d t h ea c c e s sc o n t r o l l i n gs y s t e m a l s oh a s s e c u r ca c c e s sm o d u l e ( s a m ) ，e n c r y p te a c hc a r db y3 - d e se n c r y p t i o na l g o r i t h m a n d m a cm e s s a g c ，r e a l i z i n go n e c a r d o n e c o d ea n di m p r o v i n gt h es e c u r i t yo ft h es y s t e m t h er f i dr e a d e rc 锄a l s ob ei d e n t i f i e db ys a m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e i n t e r a c to ft h i n g s ，p e o p l ew a n tt o u s ez i g b e et oe s t a b l i s hs m a l lw i r e l e s ss e n s o r i l e 铆o r l 岱i nt h e i rh o u s e sf o ri n t e l l i g e n th o m ef u r n i s h i n g t h ea c c e s sc o n t r o l l e ro f t h e a c c e s sc o n 仃d l l i n gs y s t e mh a s7 8 0 m h zz i g b e ei n t e r f a c e ，i tc a nb ec o r m e c t e d t o i i i t e m e tt h r o u g ht h ee m b e d d e dg a t e w a y i t c a r la c c c s st ot h ei n t e l l i g e n th o m e 如m i s t i i n gs y s t e m i tu s e sz i g b e ei n s t e a do fr s 4 8 5t o r e d u c et h ed i f f i c u l t yo f c o n s t n l c t i o na n dt os a v em o n e y i tu s e sz i g b e et oi d e n t i f yp e o p l ea n dc a r s i nl o n g d i s t 矾c e s ot h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mc a na l s ob eu s e di np a r k i n ga r e a s s o f t w a r e 7 山东大学硕士学位论文 s y s t e mi n c l u d e sm a n a g ew e b s i t es y s t e ma n da u t h o r i z a t i o nd o w n l o a ds y s t e m t h e m a n a g ew e b s i t ea d o p t sb ss 臼m c t l j i - cc a ng r e a t l ys i m p l i f yt h ew o r ko fc l i e n tc o m p u t e r , a n di sc o n v e n i e n tf o rs y s t e mu p g r a d e s ，r e d u c i n gm a i n t e n a n c ec o s t s t h em a r a g e w e b s i t eu s c su s bk e yt oi d e n t i f yu s e r s t h ea u t h o r i z a t i o nd o w n l o a ds y s t e ma d o p t s c ss t r u c t u r ew i t hv e r ys t r o n gi n d e p e n d e n c e t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e da b o u tt h en c wi n t e l l i g e n ts e c u r i t ya c c c s sc o n t r o l l i n g s y s t e mi nt w oa s p e c t si nd e t a i l ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n d t h es o f t w a r es y s t e m a b o u tt h e h a r d w a r es y s t e m ，t h ei n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o l l e ri sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，w h i c hu s e sa r m c o n t r o lc h i p ，d e v e l o p i n g7 8 0 m h zz i g b e ei n t e r f a c e ；t h e nt h em a k i n gm e t h o do f e n c r y p t i o nc a r dr e a d e r , w h i c hc a ni d e n t i f yv a r i o u ss m a r tc a r da g r e e m e n t ；a n d a tl a s t ，t h e p a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dg a t e w a y w h i l ef o r t h es o f t w a r es y s t e m ，i t i n t r o d u c e st h ei n t e l l i g e n te n t r a n c eg u a r dm a n a g ew e b s i t ea n da u t h o r i z a t i o nd o w n l o a d s y s t e m k e y w o r d ：a c c e s sc o n t r o l l e r , r f i d ，l w i p , b i t c l o u d 8 山东大学硕士学位论文 l i i l l l l l l 置一 i i 课题背景 第1 章绪论 门禁系统，顾名思义就是对出入门道进行管理、控制的系统 1 l ，属于一种智能 安防系统。它的基本功能是实现人员的智能化进出管理。经过近几年的发展，门 禁控制系统已经发展成为以智能识别和现代化智能管理为基础，集人员进出管理、 车辆进出管理、智能监控、考勤管理、消防联动为一体的综合安防系统，在工厂、 学校、写字楼、企事业单位等地点的应用日益广泛1 2 - 5 。 一个完整的门禁控制系统应该包括对房间访问权限的管理，对房间访问时段 的管理，对各个门区的实时监控，房间出入记录查询功能等。它主要由以下几个 部分组成： 1 门禁控制器，它是门禁系统的核心，是整个系统的控制中枢。它具有数据 输入、控制输出，数据传输以及信息的存储与处理能力，主要功能是储存房间的 授权信息；控制读卡器读取射频卡号，并对卡号的权限加以识别；控制电子锁的 开关。 2 读卡器，它是一种利用射频识别( r f i d t 每a j ) 技术，通过射频信号自动识别 电子标签数据的设备，是门禁系统的眼睛。 3 电子锁，它是门禁系统中执行开关门的部件。与传统的机械锁相比，它具 有操作方便，保密性强，可靠性高的特点。 4 射频卡，又称电子标签，可以存储数据，通过射频信号与读卡器进行通信。 其特有的加密算法使得对射频卡的操作非常安全，是门禁系统的钥匙。 5 电源系统，如今的门禁系统大多采取交流电、蓄电池和u p s 相结合的方式， 为门禁系统提供不问断的电力供应。 6 门禁管理网站，随着门禁系统的发展，如今的门禁管理网站不仅可以实现 人员的出入管理，而且还集成了车辆出入管理，视频监控功能，人员考勤功能， 消防联动功能等，形成了完整的安防系统。 9 山东大学硕士学位论文 1 2 门禁控制系统的发展现状 近年来，随着楼宇智能化程度的逐步提高，传统的依靠钥匙进行房间出入管理 的缺陷也逐渐暴露出来。在人员流动性较大的场所如学校、企事业单位等地点， 依靠钥匙进行房间管理有很大的缺陷。首先，需要大量的人力和精力来保存和查 找不同房间的钥匙；其次，钥匙一旦丢失或者房间人员发生改变，钥匙和门锁都 需要进行更换。所以，急需一种高度智能化、高效率、高安全性的智能门禁管理 系统。 随着物联网的迅猛发展，射频识别技术也得到极大程度的提高，由此门禁管 理系统也得到了飞跃式的发展。它早已超越了单纯的进出门道及钥匙管理，形成 一套完整的进出控制系统，在许多领域得到了广泛的应用。 市场上的大部分门禁控制系统存在着许多的缺陷。首先，传统的门禁控制器 大多采用r s 4 8 5 接口，在进行工程施工时需要进行单独布线，既加大了施工难度 也增加了系统成本，而且系统一旦安装完毕，管理中心的位置便很难更改，不利 于实现网络和异地控制；其次，由于现在许多射频卡的加密算法已经被破解，所 以射频卡的复制也成为了可能，在这种情况下，现有门禁控制系统的安全性很难 得以保证。 高档别墅区对于门禁系统有特殊的要求。首先，高档别墅区对门禁系统的安 全性有很高的要求。其次，高档别墅区的门禁系统不仅包括对房间的门禁管理， 还应该包括对别墅区车辆的出入管理，以及车库的门禁管理。再次，高档别墅区 的门禁系统应该体现出智能化的特点，能够与家庭中的其它家居物品进行有效地 “沟通 ，形成一个智能化的家居控制整体系统，同时具备与人进行交互的能力。 基于高档别墅区门禁系统的特殊要求，本论文提出了一种新型的门禁管理系 统。首先，采用功能更为强大a r m 7 d m i 核心的新型a r m 7 处理芯片来作为门禁 控制器的主控芯片，提高了系统的兼容性，扩展性和稳定性。其次，采用了新型 的多协议读卡器，以二代身份证和非接触式c p u 卡片作为门禁系统的钥匙卡，安 全性更强；同时通过在读卡器上加装安全认证模组( s a m ) 来实现一卡一密，进 一步加强了整个门禁系统的安全性。再次，在门禁控制器上增加了z i g b e e 模块接 口。门禁控制器可以通过z i g b e e 进行自组网，最终通过嵌入式z i g b e e 网关与 1 0 山东大学硕士学位论文 墨鼍量置墨曼曼暑置_ _ - 置量量曼! 皇! 詈兰曼宣皇曼詈詈置目皇曼曼皇皇量葛_ 置詈量量量詈舅曼量! ! 詈昌詈量量詈置量一i l l ! i n t e r n e t 相连，一方面降低了现成施工难度，节约了布线成本，增加了控制器安装 的灵活性：另一方面，门禁控制器可以通过z i g b e e 模块与智能化家居的其他设备 进行有效的交互，方便与其他设备形成一个统一的整体系统。第四，利用z i g b e e 的远程通信特点，将门禁系统从单一的房间管理扩展到了车辆的出入管理。通过 特殊的读卡器将二代身份证或者非接触c p u 卡片的认证信息读出，然后以z i g b e e 方式发送给起落杆控制设备或者车库门禁控制器，可以实现方便、快捷的不停车 出入管理。第五，门禁管理网站系统采用b s 架构，将大部分工作集中于服务器 端进行，用户只需要通过浏览器在客户端处理极少的事物。同时，对门禁控制器 的授权需要在u s bk e y 的授权下进行，具有极强的安全性。第六，授权下发子系 统采用c s 架构，具有很强的自主性。 1 3 课题研究的意义 随着物联网的飞速发展，人们希望所有物体都可以与互联网相连，可以有效 进行信息交互，从而实现对各个物体的智能化识别、定位、监控、跟踪与管理。 将门禁系统通过t c p i p 网络和z i g b e e 9 。1 1 1 网络连接至互联网，使门禁控制器可以 更加高效的与门禁管理中心进行信息交互。也利于门禁管理中心对门禁控制器的 监测与管理。采用嵌入式网关代替计算机也满足了系统小型化的发展需要。 1 4 章节安排 根据门禁控制系统的开发要求，本论文以a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 处理 器为核心设计了新型门禁控制器及嵌入式网关，以n x p 公司的r c 6 3 2 i t 2 1 为核心设 计了多协议读卡器。本论文主要从系统总体方案设计，硬件系统的设计，基于 l w i p 【搏1 4 1 的t c p i p 协议栈的移植，a t m e l 公司的b i t c l o u d 协议栈的移植和门禁管 理网站等方面对新型门禁控制系统进行了详细介绍，各章节内容如下： 第一章：绪论。主要介绍了课题的背景，门禁控制系统的发展现状，课题研 究的意义以及各个章节的安排。 第二章：总体设计方案和网络拓扑。主要介绍了新型门禁控制系统的总体设 计方案和网络拓扑结构。 山东大学硕士学位论文 第三章：硬件系统的设计。主要介绍了门禁控制器的设计、多协议读卡器的 设计和嵌入式网关的设计。其中包括硬件平台的选取与搭建，z i g b e e 模块的选取， 读卡器芯片的选取，射频电路的设计以及t c p i p 模块的设计等。 第四章：嵌入式软件的设计。主要介绍了a r m 7 开发环境的搭建，z i g b e e 的 组网和b i t c l o u d 协议栈的移植，多协议读卡器的软件设计，安全认证模组( s a m ) 的使用以及l w i p 协议栈的移植。 第五章：智能门禁管理系统上位机软件设计。主要介绍门禁管理网站功能的 实现，授权下发系统功能的实现。 第六章：总结全文，并对未来的工作进行展望。 1 2 山东大学硕士学位论文 第2 章总体设计方案和网络拓扑 2 1 系统总体设计方案 2 1 1高档别墅区对于门禁系统的需求 高档别墅区对于门禁系统有着特殊的需求：首先，高档别墅区对门禁系统的 安全性有很高的要求，充当钥匙卡的射频卡需要有很强的加密性能，不易被破解、 复制；各个门禁控制器之间的通信要进行加密处理，防止授权信息、刷卡记录等 被不法分子截获。其次，高档别墅区门禁系统需要有很强的稳定性，系统的各个 模块应该具有独立工作的能力，系统某一部分的故障不会导致整个系统的瘫痪。 再次，别墅与公寓不同，一般具有多个门道进行出入，所以需要在一栋别墅安装 多个门禁控制器，并将它们