[硕士论文精品]采用rfid技术的智能门禁系统设计

摘要随着信息技术和自动识别技术的飞速发展，门禁系统智能化的程度越来越高，已经成为现代建筑智能化的标志之一。传统的磁卡式门禁系统由于其读写速度慢、易磨损等缺点已不能适应现代智能建筑对安防系统的要求；射频识别技术的出现弥补了这些不足，射频RFID卡是无接触式IC卡，读写速度快，寿命长。因而射频卡技术在门禁系统中的应用已经成为当今门禁市场的主流。目前，国内外射频门禁产品普遍是针对大型建筑设计的，其单门的门禁控制器容量都集中在2000人左右，对于小型公司、便利店、家庭等一些用户较少的场合，会造成资源的浪费。由于这些场合对门禁系统的需求量大且需求趋势增长很快，针对这种需求，本文开发了一种基于RFID技术的小型智能门禁系统，具有现实的社会意义和经济价值。本文系统分析了智能门禁技术的发展状况和智能卡技术在门禁系统中使用的优点，重点对射频技术原理和射频卡在门禁系统中的应用进行研究，分析了目前智能门禁系统的几种方案，结合本系统的要求特点，确定了一种“一体式门禁系统总线技术”构成的楼宇系统方案，该方案能实现门厅大门的门禁管理及楼宇各单元房间的数据交换。主要完成以下的工作1、完成了工作在1356MHZ频率下的RFID卡读写器的天线及电路设计，RFID卡与读写器之间的通信协议符合IS014443TYPEA标准。2、设计完成了门禁系统的控制部分的硬件和软件，系统除了具有一般门禁系统所要求的逻辑功能外，还能提供一条与楼宇各用户单元数据传递的数据总线。3、采用不平衡一平衡转换技术，设计完成了楼宇视频音频系统，该系统克服了楼宇音视频信号传输中由于多用户共用所造成的共地干扰问题。关键词RFID卡；门禁系统；嵌入式系统；通信协议ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINFORMATIONTECHNOLOGYANDAUTOMATICIDENTIFYTECHNOLOGY,THEHIGHERANDHIGHERLEVELOFINTELLIGENTACCESSCONTROLSYSTEMHASBECOMETHESYMBOLOFTHEINTELLIGENTIZEDOFMODEMCONSTRUCTIONTHETRADITIONALACCESSCONTROLSYSTEMBASEONMAGNETICCARDCALLTMEETTHEREQUIREMENTOFMODEMINTELLIGENTCONSTRUCTIONTOTHESAFETYDEFENDSYSTEMBECAUSEOFITSSHORTAGEOFREADWRITELOWEFFICIENCYANDFRICTIONALWASTETHETECHNOLOGYOFRFIDWILLMAKEUPFORTHOSESHORTAGEOFMAGNETICCARDRFIDCARDISAKINDOFUNTOUCHICCARDITISREADWRITEFASTERANDHAS10NGERLIFESOTHEUSEOFITWILLBETHEMAINSTREAMOFTHEACCESSCONTROLMARKETNOWADAYSATPRESENT，THEMOSTPRODUCTSOFRFIDACCESSCONTROLAREEMPHASIZEONTHELARGESCALECONSTRUCTION，THECAPABILITIESOFTHESINGLEDOORACCESSCONTROLLERSAREFOCUSONABOUT2000PERSONSITWILLBEWASTEIFUSEDONTHESITESWHICHHAVEONLYAFEWUSERSSUCHASSMALLSIZEDCOMPANIES，SMALLSTORESANDFAMILIESBUTTHEACCESSCONTROLDEMANDOFTHESESITESISINCREASEDFASTSOTHESUBJECTOFTHISPAPER,DEVELOPANEWTYPEOFSMALLSIZEACCESSCONTROLSYSTEMBASEONRFIDTECHNOLOGY,HAVEPRACTICALECONOMICALVALUEFORSOCIETYTHEREISSYSTEMSANALYSISINTHEARTICLEOFTHEDEVELOPMENTCONDITIONOFINTELLIGENTACCESSCONTROLTECHNOLOGYANDTHEADVANTAGEOFTHEAPPLICATIONOFINTELLIGENTCARDTECHNOLOGYINTHEACCESSCONTROLSYSTEMTHEARTICLEEMPHASIZESATTHERESEARCHOFTHEAPPLICATIONOFRFIDTECHNOLOGYPRINCIPLEANDRFIDCARDINTHEACCESSCONTROLSYSTEM，ANALYZINGMANYPROJECTSOFINTELLIGENTACCESSCONTROLATPRESENTITCOMBINESTHESPECIALTYOFTHESYSTEMSREQUIREMENT，ESTABLISHINGTHEBUILDINGSYSTEMPROJECTBASEON“THETECHNOLOGYOFALLINONEACCESSCONTROLSYSTEMBUSCONTROL”THEPROJECTREALIZETHEDATAEXCHANGEBETWEENTHEACCESSCONTROLLEROFTHEHALLSGATEWITHTHEEACHAPARTMENTTHEMAINWORKSARELISTEDASFOLLOWS1COMPLETETHEANTENNAANDCIRCUITDESIGNOFTHERFIDCARDREADERWORKINGUNDER1356MHZ，LHECORRESPONDINGAGREEMENTBETWEENRFIDCARDANDTHEREADERWRITERCARLMEETTHEIS014443TYPEASTANDARDCOMPLETETHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHECONTROLUNITOFACCESSCONTROLSYSTEMUSETHEBALANCETOBALANCETRANSITIONTECHNOLOGYTOFINISHTHEDESIGNOFTHEVIDEOANDAUDIOFREQUENCYFORBUILDINGSKEYWORDSRFIDCARD；ACCESSCONTROLSYSTEM；EMBEDDEDSYSTEM；CORRESPONDINGAGREEMENT厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人签名却耸莠工006年O月E日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于1、保密，在年解密后适用本授权书。2、不保密请在以上相应括号内打“”日期多口D锌。月GET日期沙AO匀EC。月9日籀断峄牙却浓名名签签者师作导第章绪论第一章绪论随着信息技术的飞速前进以及现代社会发展的需要，一种集4C技术即COMPUTER计算机技术、CONTROL控制技术、COMMUNICATION通信技术、CRT图形显示技术于一身，具有高度的安全性、舒适性的智能建筑应运而生。智能建筑的显著标志之一就是拥有智能化的电子安全防范系统，它由门禁控制子系统、视频监控子系统、防盗报警子系统、巡更报警子系统和周界防范子系统等组成，如图卜L所示。它们可以单独设置、独立运行，也可以由中央控制室进行集中监控，还可以与其他综合系统进行系统集成和集中监控，所以这些子系统之间的界限不是很严格，比如门禁控制子系统可以包含视频监控电路和防盗报警器，还可以具有对讲功能。图卜1智能建筑安防系统组成框图门禁控制子系统是智能建筑集成化安全保护系统的最基本、最重要组成部分，是智能大厦内工作生活的人们创造安全空间的必要前提。它综合运用计算机、电子、机械、磁电和自动识别等技术，提供给人们一种新的进出通道口的快速便捷的方式，保证防护区域内的安全。同时还可以节省保安人员、管理人员，提高大厦管理工作效率。1。1门禁系统概述“1门祭系统足在传统的门锁基础上发展起来的。传统的机械门锁的弊端是显而采用RFID技术的智能门禁系统设汁易见的单纯的机械装置，总能被人通过非JF常手段打开，安全性差，且金属制作的钥匙使用和管理都很麻烦。随着电磁技术的发展，出现了电子磁卡锁和电子密码锁，它们从一定程度上提高了人们对出入道口的管理效率。但这两种电子锁也存在缺陷磁卡锁的信息易被复制，卡片和读卡机具之间磨损大，故障率高；而密码锁的密码容易泄露，安全系数很低。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，应用不广泛。为了解决门禁系统的安全性问题，人们借鉴计算机技术和自动识别技术，采用用自动识别系统作为身份识别单元设备，结合嵌入式系统和自动化电子装置对出入通道进行控制。这种门禁系统具有了记忆、识别、控制的智能化功能，故被称为智能门禁控制系统。与早期的门禁系统相比，智能门禁系统技术更先进、设计更合理，安全性大大提高，而且使用更加可靠、管理更为方便。所以，一经推出，立即引起广泛的重视，且发展迅猛，从条形码、磁卡式向接触式智能卡、感应卡及多功能卡的方向发展，甚至利用卫星网络实现全球服务。门禁系统的发展进入了成熟期。12智能门禁技术圆嘲前面提到，特征信息的自动识别和实时采集是智能门禁系统运行的基础，智FIEF禁系统随着自动识别技术的发展而发展的。所以，我们有必要了解一下自动识别技术。121自动识别技术自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别对象的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统完成后续处理的一种技术。图卜2表示这种自动识别系统的简单模型。叵亟巫_T匝叵困图12自动识别系统模型图自动识别技术根据识别特征不同，可分为以。I几种，它们的属性比较UJ参见表卜1。第一幸绪论表卜1常用的自动识别技术的属性比较语音生物接触系统参数条码光学字符磁卡射频识别识别识别IC膏纸、塑料薄磁性物质信息载体物质表面EEPROMEEPROM膜、金属表面磁条信息_昔小小人大较小大大读写性能RRRRRWRWRWCCD或激光束机器机器读取方式光电转换电磁转换电擦写无线通信扫描识读识读人R识读性受约束简单不可不可不可不可不可保密性无无好好一般好好智能化无无无有有环境适应性不好不好一般一般一般光遮盖全部失效全部失效可能没有影响方向位置影响很小很小可能识别速度低低很低很低低低很快通信速度低低低较低快快很快直接读取距离近很近很近接触接触远接触使用寿命一次性较短短长艮民国际标准有无无无有有有成本最低一般较高较高低较高较高多标签同时识别不能不能不能不能不能不能能从表卜1中，我们可以看到自动识别技术的发展从条码开始，以无线射频RFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATION结束也就是说，智能门禁系统的发展是以应用光学技术的门禁系统为开端，而应用RFID技术的智能门禁系统将是门禁市场发展的趋势。122RFID技术RFID技术是自动识别技术的一种高级形式，是RFID卡智能门禁系统的关键技术。1221RFID技术的原理RFID技术是直接继承雷达了的概念，理论基础是1948年哈里斯托克曼发表的“利用发射功率的通讯”的理论，即通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。采朋RFID技术的智能门禁系统设计RFID系统的基本模型可参见图卜3，其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；读头又称为阅读器、读写器、查询器、读出设备等。基本原理是读头和电子标签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，实现能量的传递和数掘的交换，从而达到对标签物品的自动识别。数据能量图13RFID的基本模型图厂1电子标签L。J发生在读头和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。它们之间的区别见表卜2表卜2射频信号的耦合类型耦合类型电感耦合电磁反向散射耦合原理通过空间高频交变磁场实现耦台发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息模型变压器模型雷达原理模型上作范围中、低频的近距离射频识别系统高频、微波的远距离射频识别系统典型频率125KHZ、225KTLZ、1356MHZ433MTLZ、915BIHZ、245GHZ、58GHZ识别距离LM，典型作用距离为310M1222RFID技术发展在过去的半个多世纪罩，RFID的发展经历了探索实验阶段、测试应用阶段、商业应用阶段，如今已经进入标准化规模化生产。近些年来，RFID技术发展突飞猛进，实现了从单芯片电子标签到多电子标第一章绪论签识读、从无线可读可写到无源电子标签的远距离识别、甚至能适应高速移动物体的RFID要求。目前美国、英国、德国、瑞士、R本等发达国家己拥有成熟且先进的RFID系统，广泛应用于工厂生产的产品自动跟踪，试验动物跟踪、商品分类管理、汽车防盗，航空公司的机场管理等。在中国，RFID技术的研究虽起步较晚，但发展很快。1999年建成了拥有自主知识产权中国铁路车号的远距离自动识别系统，经过多年的运行考验，系统已经全面发挥出了系统的设计功能，并且开始辐射和渗透到其他应用方面。比如，许多城市实现了公交射频卡、预付费电子饭卡等。从RFID技术的具体的应用市场来看，2005年全球RFID市场已经达到243亿美元，这个数字比2004年的182亿美元增长了337，而从2001年到2005年，年复合增长率达373。2005年国内市场规模达到了369亿元，其中电子标签占到了25亿元，读写器273亿元，软件和服务达到46亿元，预计2006年国内市场的规模将达到597亿元。根据一家市场调查机构的报告，到2011年可印刷RFID智能标签市场将达到1L亿美元。123RFID卡技术RFID技术在门禁系统中的应用即是利用RFID卡作为门禁卡记录着个人身份识别的数据载体。RFID卡是射频识别技术与智能IC卡技术相结合的产物，从射频识别的角度出发，它是耦合双方中的电子标签；从IC卡技术的角度出发，它是非接触式IC卡，是智能IC卡家族中的重要一员，下面介绍一下智能IC卡的相关知识。1231智能IC卡的起源智能IC卡的概念最早是在T972年由法国的新闻工作者RMORENO先生首先提出并申请了专利，在他的专利申请书中，对这项发明作了如下的阐述卡片上具有可进行自我保护的存储器。随后法国布尔BULL公司率先投入对这项技术的研究和开发，并于1976年首先制造了第一张由双晶片徽处理器加存储器组成的IC卡，接着又于1978年制成了单晶片智能卡，同时将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。在此后的时问里，世界上先后有MOTOROLA、PHILIPS、SIMENS、ATMEL、SYRIS等公司投入到对IC卡技术及其产品的研究与采用RFID技术的智能门禁系统设计开发中，技术越来越成熟，已经发展成一个世界范围内的新兴技术产业，在人们的日常生活、工作以及社会发展中发挥着重要的作用。1232智能卡的构成和特点IC卡ICCARD，全称INTEGRATEDCIRCUITCARD卡，在某些国家和地区也称为智能卡、灵巧卡、智慧卡、微电路卡等。国际标准化组织ISO在IS07816标准中作了如下的定义IC卡是在由聚氯乙烯PVC和或聚氯乙烯酸脂PVCA材料制成的塑料长方卡内，嵌入微处理器和存储器等IC芯片的数据卡，按一定标准封装成外型与磁卡类似的卡片形式。如下图卜4所示尺寸规格为长856012MM，宽5398006MM，厚0760008MMIS07816。塑料基片上可以印有彩色相片、图案及说明性文字等信息，对有较高安全性要求的IC卡，还可以印上个人签名、激光全息图象以及类似纸币上的图文等安全标志信息。1233智能卡的分类”智能卡属于半导体卡，按不同的标准可划分为多种类型。L、按照其组成结构，智能卡可以分为一般存储卡、加密存储卡、CPU卡和超级智能卡等。一般存储卡MENMORYCARD一般存储卡也叫非加密存储卡，其内嵌芯片相当于普通串行EEPRN存储器，第一章绪论有些芯片还增加了特定区域的写保护功能，这类卡存储信息方便、使用简单、价格便宜、很多场合可替代磁卡，但由于其本身不具备信息保密功能，只能用于保密性要求不高的应用场合。加密存储卡SECURITYCARD加密存储卡内嵌芯片在存储区外增加了控制逻辑，在访问存储区之前需要核对密码，只有密码正确，才能进行存取操作，这类信息保密性较好，使用与普通存储卡相类似。但是密码一般通过明文规定进行传递和验证，很容易被破解，用于需要进行简单保密要求的应用场合。CPU卡CENTRALPROCESSINGUNITCPU卡内嵌芯片相当于一个特殊类型的单片机，内部除了带有控制器、存储器、时序控制逻辑等外，还带有算法单元和操作系统，从严格意义上说，这种具有CPU芯片的IC卡爿是真正的智能卡。由于CPU卡有存储量大，处理能力强、信息存储安全等特性，因此，被广泛用于信息安全性要求特别高的场合。超级智能卡在卡上具有MPU和存储器并装有键盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有指纹识别装置等，主要用于高端应用。其核心和CPU卡类似，主要增加的是外围的辅助单元。2、按照卡片数据的读写方式，智能卡又可分为接触式IC卡、非接触式IC卡和双界面卡三种类型。接触式IC卡接触式IC卡通过芯片中的8个触点与读写设备的触点相接触来传递数据，所以触点接触的可靠与否直接影响数据传递的可靠性。卡上电路芯片工作能源也是通过卡上的触点与有源读卡器接触提供的，其功能越强，其电路就越复杂，自身的能量消耗就越大，因此在接触式IC卡上实现CPU是较成熟的技术。非接触式IC卡卡片使用过程中与读写设各无直接的电路接触，由无线非接触技术进行读写例如，光或无线电技术等。和接触式IC卡相比较，增加了射频收发电路，又称射频RFID卡，这类卡一般用在使用频繁、使用要求便利的场合。采用RFID技术的智能门禁系统设计双界面卡双界面卡综合了以上两种读写技术，卡片上只有一个芯片，但有两个接口，两个操作界面，既可以通过触点以接触方式，也可以通过相隔一定距离一般在10厘米内，以射频方式来访问芯片。两个界面分别遵循两个不同的标准，接触界面符合ISOIEC7816；非接触符合ISOIEC14443。它满足了方便用户在不同的场合使用卡片的不同需求。近年，PHILIP、半导体等国外知名厂商已经向市场推出了这种双界面卡，但因其结构及操作较复杂、价格高，日前在国内较少使用。1234RFII卡61L、RFID卡的结构卡片的结构组成如图卜5。微晶片外面一般封装了保护层，防止微晶片被折叠、扭曲或受到紫外线的辐射，外围有一天线线圈，镶嵌于卡片的顶层图形层和底层图形层之问。2、RFID卡的分类按能量的来源分为有源和无源两种类型。有源卡由内置电源提供工作电源，允许卡的操作距离较远2“4米，主要应用在高速公路的不停车收费系统等领域。无源卡由读写设备辐射的电磁波提供工作电源，E作距离较近，一般小于30CM，工作频率的选择范围较大，从几百千赫到几百兆赫都可以。3、RFID卡的特点可靠性高、使用寿命长、维护成本低RFID卡与读写器之问无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，第一章绪论例如由于粗暴插卡、外物插入、灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。此外，RFID卡表面无裸露的芯片，不会发生因芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏而使卡片失效等问题，适应各种恶劣环境，在正常使用的情况下，RFID卡的使用寿命一般都在10年以上。操作方便、快捷由于非接触通讯，读写器在5一LOCM甚至更远的范围内就可以完成对卡片的操作，而且运作时间极短，每张卡感应只需08秒，甚至更短FFFF磁卡、接触式IC卡开门时间要达到2秒以上，甚至更长。RFID卡使用时非常简单，不必插拔卡，不需固定方向和位置，卡片以任意方向掠过读写器表面，即可完成操作，大大提高每次使用的速度。加密性能好、安全可靠每张卡片在出厂时都写有不可更改的唯一编号制造厂家在卡片出场前已将此序列号固化，卡和读写设备均无法复制，确保系统的安全性和可靠性。高抗扰性RFID技术具有防冲突机制，在多张卡片进入读写器的工作范围时防止卡片之间出现数据干扰，只进行读一张卡的操作。广泛适用性RFID卡可应用于不同的系统、不同的场合。每张卡片内部有多个存储区，用户可以根据不同的应用在不同的存储区设定不同的密码和访问条件，实现一卡多用，如工作证、胸卡、巡更卡、门禁钥匙卡，电子钱包等，还可实现医疗管理、停车管理等诸多功能。124RFID卡在智能门禁系统中的应用将RFID卡与门禁技术相结合的智能门禁系统是目前市场上流行的出入口控制管理系统，其硬件设备主要由控制器、感应读卡器、电锁、电脑和通讯扩展器组成。RFID卡作为应答端，而读卡器为接收端，类似发电机，持续发送频率。当卡片进入读卡器发射频率的范围内时，卡片内的线圈会接受此频率并产生能量，此能量储存在电容器内，当能量到达激磁的状态时，会将卡片中IC芯片上所烧录的密码发送给控制器，辨识通过后，便可开门，针对不同的RFID卡，读卡器所发射出的频率不同，故卡片不会有互通并用状况发生。使用者用一张卡可采_|JRFID技术的智能门禁系统敬计以打开多把门锁，对门锁的开启也可以有一定的时间限制。如果卡丢失了，不必更换门锁，只需将其从控制主机中注销，使用起来非常方便，还免去了携带钥匙，担心钥匙被复制、财物被盗的烦恼。125RFID卡智能门禁技术在国内外的发展现状“1前面提到，智能门禁系统种类是依据其所应用自动识别技术的不同而区分的，主要有条形码、图形ID、磁卡式、接触式IC卡、感应式、生物辨识等。它们所能达到的安防级别互不相同。条形码和图形ID系统应用光学技术辨别贮存在条形码和图形ID中的信息，采用的是可视传播技术，容易被撕裂、污损或脱落，主要在商品流通领域使用。磁卡式和接触式IC卡由于易磨损、寿命较短，识别过程中操作者的动作和所需时问长，已经在逐步快速地退出市场。目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在RFID卡门禁系统和生物识别系统。作为一种安防产品，智能门禁系统产品竞争的焦点集中在其安全性、可靠性和性能价格比J二。一般人看来，人体的生物特征具有终身性、唯一性、无法盗用、不会遗失等特点，从识别方式看，生物识别具有极高的安全可靠性。但门禁系统是一个统一的整体，其安全可靠性不仅包括识别方式，还包括控制系统部分、软件系统、通信系统、电源系统的安全可靠性，每一个环节都关系到整个系统的安全可靠性。而生物识别门禁系统对仪器的技术要求很高，对环境要求高，对使用者要求高比如指纹不能划伤，眼不能红肿出血，脸上不能有疤痕等等，胡子的多少也会影响识别率使用起来不方便比如虹膜型的和面部识别型的，固定的安装高度位置不能适应身高不同的使用者。所以，它的成本高，识别速度慢，识别有效率较低，整体安全可靠性较差。综上所述，生物识别技术门禁系统的性价比较低的，相比较之下，RFID卡智能门禁系统使用简单、技术较为成熟和完善、长期维护费用低且价格适中，具有明显的性能价格比优势，是智能门禁技术的一个发展方向。由于RFID卡智能门禁系统巨大的市场潜力，国内外许多公司都投入了相当大的人力、物力和财力从事门禁系统的开发生产。国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯、摩托罗拉、西屋，凯利、洛泰克，以色列的DDS、SERVANT，英国的集宝，新加坡SYRIS和韩国的SUPERLOCK等诸多品牌。国内从事门禁系第一章绪论统开发的公司有数千家，知名的有捷顺、清华紫光、北京青云等公司。这些年，经过大量的研究和市场运作，欧美的RFID卡门禁系统市场已进入成熟阶段，其产业的分工已经进入细分阶段，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、PHILIPS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公司等。随着产业链的形成，各大专业公司借助其雄厚的财力、先进的技术、优秀的专业人才及广泛的信息渠道，逐渐垄断了该市场。在国内，由于该技术的不断成熟和完善，人们普遍接受了门禁系统的观念。虽然RFID卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，但门禁系统丌发商可以很方便地从不同的公司购买各个设备模块，自己进行系统集成就可为用户方便地安装成整套系统。如今，RFID卡智能门禁系统已走入了千家万户，改变了以往传统的键盘、磁卡式门禁系统一统天下的局面，据最近的调查表明RFID卡门禁系统的市场F以每年300的惊人速度增长。13本文的研究内容及章节安排从目前国内的门禁系统市场上看，随着小区智能化和智能楼宇的兴建，配套的智能门禁系统的需求快速增长，尤其是一些小型公司、单栋建筑、便利店、家庭等人员较少的小型门禁控制系统需求量大且需求趋势增长迅猛。而无论是国外产品还是国内产品，其单门的小型门禁控制器容量集中在2000人左右，对于前面所述用户较少的场合，显然会造成资源浪费，再加上国外生产的门禁系统价格昂贵，从1万元到数万元不等。而国内产品可靠性较差。因此，研制出一种价格低廉、安全性和可靠性高、功能齐全、容量在100人左右的小型智能门禁系统，具有极大的经济效益和市场价值。基于这一市场需求，某电子器材有限公司寻求与我们合作，研制开发“RFID卡的小型智能门禁系统”，设计中须达到以下几点要求1、设备完整性和可靠性一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志，所以系统应具备功能完善、设各齐全、管理方便的特点。并且能提供长时间不问断的连续工作，支持停电不停机。采用RFID技术的智能门禁系统设计2、实用性和经济性系统建设应从客户的角度出发，面向应用。注重实效。即操作方法简单、故障率低、寿命长。3、先进性和成熟性系统设计采用先进的概念、技术和方法，同时注意结构、设备、工具的相对成熟，使系统具有较大的发展潜力。4、可扩展性和易维护性要求能适应系统的变化，满足系统投资的长期效应以及系统功能不断扩展的需求。5、可靠性和稳定性从系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，充分考虑技术先进性和成熟性，确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时问。6、安全性和保密性在系统设计中，既考虑信息资源的充分共享，更注意信息的保护和隔离。根据客户具体应用情况、使用环境以及造价要求，分别采取刁I同的措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。本门禁系统在设计时结合目前国内的实际技术水平和应用水平，在保证功能完善、性能稳定的前提下，力求尽量减小初投资、运行费用及改造升级的资金投入，充分实现其市场价值。全文章节安排如下第一章首先从智能建筑的功能对相应的门禁系统的要求开始，分析门禁系统发展的基础，然后分剐介绍RFID技术和智能卡的定义、分类、功能、原理和特点，接着着重讲述了二者相结合的RFID卡结构特点，以及RFID卡智能门禁系统在国内外的发展现状及趋势，最后提出本课题研究的内容和意义。第二章根据本项目要求确定RFID卡智能门禁方案为“一体式门禁系统十总线技术”，并进行总体设计，包括总体架构的构思和软硬件功能模块的划分。第三章根据RFID卡智能门禁系统的各项技术要求和设计思路完成对设备各个电路模块硬件电路的设计。其中主要针对主控制模块、身份识别系统、可视对讲系统、人机交互平台四大系统的工作原理、芯片选型和单元电路的分析设计第一章绪论等。第四章根据智能门禁系统实现各项功能的要求确定软件编程思想，首先完成单片机对各个功能模块协调控制的主程序的编写，然后根据主程序所要完成的各项功能进行软件模块的划分，编写射频读写模块的驱动控制程序、LED数码显示驱动程序，RS485通信子程序等。第五章，对前面设计的各个单元电路先进行硬件测试和安装，用南京伟福公司生产的H51S仿真器及其软件模拟环境下进行调试，反复检测调整，直至程序完善。在文章最后，对本研究课题作了一个全面的总结。采用RFID技术的智能门禁系统设计第二章系统总体设计21系统实现目标和设计原则211实现目标纵观门禁系统的发展，它是由电予密码锁门禁发展到磁卡式门禁，现在又过渡到安全性高、无机械磨损、方便易用的RFID卡门禁系统。本方案依据用户的要求，采用先进的RFID技术和自动控制技术，确定了以下的功能目标1、软件功能1权限管理设置、更改、取消、恢复出入人员的权限。如请求进入的人员身份合法，电锁将打开；否则电锁不会开启。2存储功能卡号、是否非法等相关信息。3设各注册在控制器等设备或居住人员发生变动时，需要重新登记信息，并且该操作仅限有管理权限人向控制器输入已设定的密码方可进行。2、硬件功能1键盘输入和LED显示信号提示人们可从键盘上输入相关的信息，在LED数码显示器上显示输入的编码、户名或出错信息等。2对讲功能具有门铃、电话对讲及开锁功能，居住高楼的人们可在室内按“开锁”键遥控开启门口电控锁。3监视功能摄录访客的影像并通过信号线分配至住户端，使屋主能通过室内用户机上的监视屏看到访客。212设计原则门禁系统依实际需求千差万别，可以是仅控制一道门的简单系统，也可以是能控制多门、具有远程监控和网络功能的复杂系统。但不管是哪类门禁系统，设计时均遵循以下的原则I完整性原则最大限度地满足用户对门禁系统的要求2可靠性原则确保整个门禁系统运行的可靠性销一章系统总体殴计3经济性原则在确保功能的前提下，力求系统简单、经济、实用、合理4发展性原则设计要考虑到将来系统发展的需要，在IO接口、存储容量、通信等方面要留有可扩展的余地。22系统方案的确定为了确定具体的实现方案，我们先分析目前主要的几种门禁系统连线方式。L、一体式门禁系统这种方案是把是把读卡器和控制器组合在一起，形成一种便利的功能集成包。它的优点是体积小，可以安装在可视对讲设备内；施工简单，成本低，适合安装在单门道建筑里。缺点是对于多门道建筑，必须每个门道安装一台机，当添加或删除用户时，需逐个操作，较为烦琐。2、分离式门禁系统这类型系统多用于需要控制的门道数多的情况，读卡器与控制器分开安装，读卡器则与一体机一样安装在门外侧，但控制器安装在室内。一个控制器分别控制多个不同的门。这类型系统的优点是一个控制器控制多个读卡器，只需一次编程即可，操作方便。缺点是工程布线复杂，成本高。3、联网型门禁系统它是用计算机或软件来对智能门禁控制器进行管理和监控。优点是功能强大，可记录事件、数据存档、生成报表等，可对所有的远近距离的门道进行集中设置和监控，用户界面直观灵活。缺点是系统复杂，技术要求高，成本高，一台计算机发生故障将导致整个系统失灵。综上所述，本项目受控对象是是单栋建筑单门道系统，从成本的角度出发，结合该项目的实际情况和要求，通过对各种门禁系统进行仔细的分析比较后，考虑到单栋建筑是一个门禁通道联系着几家到几十家用户的结构，我们将第一种方式和第二种方式结合起来，即楼道门禁部分采用一体式结构，通过RS485总线与楼上的多个道内的用户机构成多机通信系统。同时考虑到该门禁项目要求除具备一般的防盗控锁功能外，还要能进行可视性对讲及对周边环境监控，因而，为满足这些功能，我们在其内部合理地配置了单片机、射频读卡器、音视频放大电路、串口总线芯片等硬件，通信速率达9600BPS，并预设了功能扩展板，以便同后功采用RFID技术的智能门禁系统设计能的延伸与扩展。具体设计思路采用IP行业当前的主流设计方式，将系统划分为多个功能模块，采用嵌入式系统设计技术，即以主控制模块单片机为核心，读卡模块、可视对讲模块、LED显示器、矩阵式键盘等单元按照一定的通信方式组合起来，主控制模块与楼道内各用户之阈采用485总线通讯。系统架构图如21所示。J智能门禁系统L一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一一一一一J图21系统架构图工作过程为持卡者“刷卡”时，读卡器读卡，将个人识别卡中的信息传输给主控制模块，主控制模块根据卡号和内部存储的信息，判断该卡是否有效，从而控制电锁是否打开。般出门时，只要按动出门按钮，电锁会自动打开。主控制模块还可接收访客从键盘输入的门牌号信息，一方面传递给LED数码驱动器驱动显示出来，另一方面寻找相应的室内用户机，然后接通可视对讲系统进行双向通话，再根据屋内主人指示控制开关门或监视系统。第_二章系统总体设计23系统的功能模块划分根据该门禁系统的功能配置要求，主要可以划分为以下四大模块L、身份识别单元由RFID卡和读卡器组成，RFID卡内部芯片记录有持卡者的个人信息，读卡器则负责启动RFID卡里的应答器，将其内部的数据传递给单片机，以便单片机进行处理。2、处理与控制单元是门禁系统中起者中枢控制部分，由单片机和存储器构成。内部有运算单元、输入单元、输出单元、通讯单元，负责对各种各样的出入请求做出判断和响应，协调和管理各个模块之间工作，由于需要存储的相关人员的卡号和密码等信息量较大，所以除了存储在单片机内部外，还通过虚拟I串口外扩一存储器来存储这些资料。3、可视对讲系统摄像机和麦克风采集到的信号通过由视频、音频信号采集放大电路和调制电路放大处理，传至显示器和扬声器。信号在楼道口的门禁控制系统和楼上的用户机之间传递，但由于楼上的用户机不止一个，同一时段必须由主控制模块来选择控制其中的一个用户机与门禁控制系统相互通信。4、人机交互平台12键键盘提供给访客输入房门号或管理人员输入、修改卡号、密码等操作，主控制模块接收到信息进行处理的同时，通过4位LED数码显示器将信息显示出来。另外还要求有一个电源管理模块由于门禁控制系统是安装在通道出入口以控制出入权限的，必须24小时连续工作，所以门禁控制系统应具有市电备用电池自动转换及充电功能。当市电正常时，控制系统由市电供电，同时对备用电源充电至满，当市电不正常或中断时，控制系统由备用电池供电，市电恢复后再自动转化为市电供电。采用RFID技术的智能FJ禁系统设计第三章系统硬件设计硬件系统采用功能模块结构，主要包括身份识别模块、处理与控制模块、可视对讲模块、人机通信模块。智能门禁系统的硬件系统总体框图如图31所示。身份识别模块主要包括读卡器和RFID卡，处理和控制模块主要包括单片机和外扩数据存储器，在软件的作用下，接收来自身份识别模块和可视对讲模块的各种信息，逐一辨别、处理后，发出指令给相应的执行单元，从而实现开锁、通话等各种操作。人机通信模块包括矩阵式键盘和LED数码显示器，分别用于输入数据信息和显示。回读卡器LCO主C可视对讲系统控存储器K制C刊LED数码显示器模键盘K令块一、YJ将新卡的序列号写入预设置地址的存储空间配置新卡予函数图45管理RFID卡流程图45可视对讲单元程序设计注销旧卡子函数上一章提到，门禁系统与楼上的用户机构成基于RS485总线的多机通信系统。当楼上的用户机发出“监视”、“通话”或“开锁”等指令时，通过485总线将数据传递给AT89C52，经过AT89C52处理后控制相关的继电器动作，完成相应的任务。为完成上述功能，系统设计了两个中断程序，一个是串口通信中断，另一个是定时中断，并制定了相关的通信协议。451串口中断分析1、功能定时计数器1用作本系统串行通信时产生9600BITS的波特率发生器。2、初值的确定由于波特率发生器定时的特点是定时范围不大但需要不断重复定时。为避免通过程序反复装入计数初值而引起的定时误差，使波特率更加稳定，我们设采用RFID技术的智能禁系统设计定定时计数器1工作于方式2时，即为8位计数器，能自动恢复定时计数器初值。TL的初值由公式4T确定N初值詈丽FO丽SC2564111初值I。医瓣41因为AT89C52与楼上的多个用户机采用RS485构成了主从式多机通信系统，为保证通信的速率，我们选择了串行口工作方式3即9位UART，波特率可变。此时串行口控制寄存器中的波特率倍增位SM2O，按规范取波特率为9600BITS。代入公式42后，町确定TL的初值为T12562011059200253FDH4232129600寄存器SCON赋值为OXFO，PEON赋值为OX00，见表43和44表43SCON的结构和各位名称、位地址及初值SCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名称SMOSMLSM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH9阴9CH9BI9AH99H98HLILL0OOO表44PEON寄存器PEOND7D6D5D4D3D2D1DOI位名称SMODGFOGFOPDIDLOX0000O003、串口通信协议为了通信方便，我们制定了一套数据传输的格式。用一变量“ID”存放主机主控制模块和所有的从机用户机的地址，如主机的地址名为IDOXFE；另一变量INF_DATA存放控制指令代码，表示“通话键打开”、“监视键打开”等功能。门禁控制模块与用户机之间的通信采用按帧传输方式，每帧数据中包括“地址名控制指令校验和”。其中“校验和”可根据表格45计算得到。举例说明从机向主机发出“打开通话键”的指令，即“IDOXFES第四章系统的软件设计表45累加和校验法OXFEHEXCYD7D6D5D4D3D2D1DOOXFE11111L100X85OXL8311O000O11加进位0X84010O0000O取反0X7600LLL1OLL校验字节是0X76，所以帧数据为三个字节“OXFR地址0X85控制指令代码0X76校验和”，从机将该帧数据发给主机后，主机进入中断子程序，完成相应的“通话”，具体流程可见图46所示。本系统共有8条指令，均采用同样方法完成。进入中断【一一接收数据帧信息L审、非指令启动通话。一、I中断返回1、图46串口定时中断子程序57采用RFID技术的智能门禁系统设计452定时器0中断分析1、功能定时器0定时65MS，并用两个计数器对65MS计数，分别用于控制门禁系统和用户机系统的响铃时间以及监视的时间。2、初值的确定根据用户要求，要求在未被打断的情况下，响铃和监视时问分别为30秒和120秒。因为时间较长，所以我们选择定时器为内部计数器为16位的工作方式L，对片内机周脉冲计数，定时时间设定为最大定时时间，即初值为TH00X00，TL00X00。由于本系统的AT89C52的晶振频率为儿0592，时钟周期近似为L微秒，所以定时时问为T2“LT0初值时钟周期X12TM260XLXL2655361AS3、中断函数定时器0根据设置的初始值，655MS产生次内部中断请求。在中断函数中，我们设置计算次数为1600次约120S后自动关闭定时器，具体流程见图47所示。图47定时中断服务子程序58第叫章系统的软件设计453多机通信流程设计由于RS485是半双工通信方式，在任何时候，只能允许一个节点的RS485的驱动器向网络系统发送数据。因此，要求应答的单机必须在听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其他单机发出应答信号的前提下才能应答。由于半双工通信对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求，必须配合好，否则就会发生总线冲突，使整个系统的通信瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上严格配合，必须要遵从以下几项原则1复位时，主从机都应该处于接收状态。在上电复位时，硬件电路稳定需要一定的时间，并且89C52各端口复位后处于高电平状态，这样就会使总线上各个分机处于发送状态，加上上电时各电路的不稳定，可能向总线发送信息。因此，应该将AT89C52上作发送和接收控制信号的那根口线反向后接入MAX485的控制端，使上电时MAX485处于接收状态；同时，也应在主从机软件上附加若干处理措旌，如上电时或正式通信之前，对串口作几次空操作，清除端口的非法数据或指令。2控制接收发送使能端的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。在RS485半双工通信中，由于MAX485的发送和接收都由同一器件完成，并且发送和接收使用同一物理链路，必须对控制信号进行切换，这一般以AT89C52的TXC发送完成标记和RXC接收完成标记信号作参考。发送时，检测TXC是否建立起来，当TXC为高电平后关闭发送功能，转为接收功能；接收时，检测RXC是否建立起来，当RXC为高电平后，接收完毕，又可以转为发送。3由于本系统多机通信采用异步串行方式，所以发送数据后的TI置位和接收机RI的置位时间有一段时间差，而且接收机在转换到输出状态前要有一段数据处理时间，这两段时间加起来不可忽视。这段时间，串行通信总线处于悬浮状态，易拾取空间干扰信号，这时主机AT89C52与另外的从机可能会同时得到一个无规则的数据，对从机来说可能为错误指令，造成错误反应。因此，要在通信协议中加入延时阶段，来解决此问题。具体流程图如图48采用RFID技术的智能门禁系统设计主机通信程序流程46键盘和显示模块461键盘扫描软件设计图48多机通信流程图从机通信程序流程本系统的是非编码键盘，仅提供按键开关工作状态，按键代码的生成是通过扫描软件来完成的。我们采用通过列线逐列置低电平后检查行输入状态来确定被按键的键值的方法来设计扫描子程序，并将其固定在主程序的某个程序段。当主程序运行到该程序段时，依次扫描键盘，判断是否有键输入。若有，则计算按键编号，执行相应键功能子程序。具体流程如图49第四章系统的软件殴计462显示模块软件设计图49矩阵式键盘程序流程图显示模块的主要功能是显示当前键盘操作的功能和数据。在“硬件设计”部分，我们选用MAX7219为LED数码管驱动芯片。该芯片内置有BCD码译码器、多路扫描电路、段及数字驱动器和用于存储每一位的8X8静态RAM，对它们进行初始化，就可以选择译码方式、LED个数、显示亮度、关闭等功能。初始化程序如下VOIDMAX7219一INL3、IALVOIDW_MAX7219OXOB，OX03设定扫描位数为4位W_MAX7219OX09，OXFF选择BCI译码方式W_MAX7219OXOA，OX04亮度调节为932WMAX7219OXOC，OX01显示器正常工作采用RFID技术的智能门禁系统设计前面讲过，AT89C52与MAX7219连接的总线是SPI三线同步串行总线，它们之问的数据入出是按照一定的时序关系进行的，见图4一LO。其中，AT89C52是主机，控制时钟线CLK，AT89C52输出的数据经由DIN输入到从机MAX7219，LOAD是用于锁入输入的数据。在LOAD的上升沿最后的16位串行数据被锁入。必须指出的是，编程时一定要严格遵照和正确理解时序图，否则，会给系统调试带来一定的困难。_一日一11位15M3B，。O厂一隧厂、L一一，OAI|，DIN一摹TILT|FITL5】摹N盔漆位LOOFFTJI第NI巷羲播位I潆N1粗赣搬位LL使0LS8厂，、厂，钉TTT彳，日I【摹N1组T器位15F第NI