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文档简介
1、精选优质文档-倾情为你奉上怀化职业技术学院高职生毕业论文(设计)题目:基于IC卡的楼宇门禁系统的设计学生姓名: 何敏 专 业: 应用电子技术 班 级: 08应电 指导教师: 唐晨光 完成日期: 2010.11.24 教务处印制毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)课题: 基于IC卡的楼宇门禁系统的设计 学 生 姓 名: 何敏 指 导 教 师: 唐晨光 设 计 (论文) 要 求:一、内容说明: 1、设计系统框图; 2、选择合适的IC卡,综合比较; 3、设计具体电路、编写软件,实现功能; 4、包含系统调试模块。 二、要求与说明: 1、设计系统框图; 2、选择合适的数据采集方案; 3、设计具体电路、
2、编写软件,实现功能; 4、包含系统调试模块。 5.字数不少于4000字(包括图);不得抄袭, 否则责任自负,并作不及格处理;6. 按要求设计好封面,字体、段落和格式等严格按论文模板要求。电子文档经指导老师审查符合要求才能参加答辩。全部文件交系部统一电脑打印,并装订成册; 9. 毕业论文(设计)都要求在毕业前进行答辩。学生可以参考一些专业性的杂志,掌握论文格式; 10. 实习报告或毕业设计具体要求见附表。三、时间要求: 1.于2010年下学期第15周前完成毕业设计; 2.答辩时间: 2010年 12 月 10 日。 目 录 4.1.1nRF903芯片介绍7基于IC卡的楼宇门禁系统的设计摘 要:本
3、论文介绍了一种基于无线通信的非接触式IC卡楼宇门禁系统,阐述了系统中数据的多点跳传无线通信方式及通信协议。论文主要讨论了无线通信在IC卡楼宇门禁系统中的软、硬件实现方法,并给出了该系统的硬件电路框图和通信软件流程图。本论文还系统分析了非接触式IC卡门禁技术的发展状况和非接触式IC卡系统。关键词:无线通信 门禁系统 非接触式IC卡1、引言随着以人为本的社会生活意识的提高,越来越多的住户对小区的安全防范意识也不断的增强,实现小区管理的智能化势在必行。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
4、。目前,IC卡门禁系统数据的传输基本是基于有线的网络, 如RS485, CAN 等。这些有线网络施工布线工作量大,网线易受人为破坏,线路损坏后,故障点不易查找,且易受雷击和过电压的影响。而数据采用无线传输方式又常常面临无法满足距离要求的难题,即使满足代价也非常大。针对这种情况,本论文提出了一种基于多点无线数据传输的IC卡门禁系统,采用单片无线收发芯片nRF903,数据采用多点跳传的方法,每个门禁点在作为本身数据的收发端的同时,又可做为其他门禁点数据的无线转发中继站,从而构成不受传输距离限制的无线通信链路。2、门禁系统的发展出入口门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统,它是在传统的门锁基
5、础上发展而来的。传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置,无论结构设计多么合理,材料多么坚固,人们总能用通过各种手段把它打开。在出入人很多的通道(如办公室,酒店客房)钥匙的管理很麻烦,钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。为了解决这些问题,就出现了电子磁卡锁,电子密码锁,这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度,使通道管理进入了电子时代,但随着这两种电子锁的不断应用,它们本身的缺陷就逐渐暴露,磁卡锁的问题是信息容易复制,卡片与读卡机具之间磨损大,故障率高,安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露,又无从查起,安全系数很低。同时这个时期的产品由于大多采用读卡部分(密码输入)与控制部
6、分合在一起安装在门外,很容易被人在室外打开锁。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段,因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁,应用也不广泛。最近几年随着感应卡技术,生物识别技术的发展,门禁系统得到了飞跃式的发展,进入了成熟期,出现了感应卡式门禁系统,指纹门禁系统,虹膜门禁系统,面部识别门禁系统,乱序键盘门禁系统等各种技术的系统,它们在安全性,方便性,易管理性等方面都各有特长,门禁系统的应用领域也越来越广。3、方案设计3.1 卡式门禁的选择随着感应卡技术,生物识别技术的发展,门禁系统得到了飞跃式的发展,进入了成熟期,出现了很多卡式门禁系统。安全防范意识也不断的增强,人们对于卡式门禁的选择也有了很
7、大的要求,为了达到最安全、最适用,所以对卡式的选择也很重要。各种卡式的比较如表1所示:表1 几种卡式的比较性能磁卡接触式IC卡非接触式IC卡信息载体磁性物质(磁条)EEPROMEEPROM信息量较小大大读取方式电磁转换电擦写无线通信保密性一般好好识别速度低低很快读取距离接触接触远使用寿命短长很长成本低较高较高多标签同时识别不能不能能从表1可以看出,非接触式IC卡是现今卡式门禁系统最好、最合适的选择。所以本论文是采用非接触式IC卡的门禁管理系统。非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴技术,它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。3.2 门禁系统的构成门禁系统构成分为三部分:一是无线IC卡门禁机部
8、分,二是中央控制电脑的软件管理系统模块,三是无线数据收发器的数据传输模块。其系统框图如图1所示:图1 楼宇门禁系统框图 4、硬件设计采用Philips公司的非接触式IC卡Mifare 1卡,以M1卡作为用户卡,以用户卡的序列号SN(全球唯一) 为依据控制门的开启。系统工作流程如下:发卡系统(中央控制PC机)将用户的卡号及个人信息输入系统数据库,并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当M1卡进入门禁机的有效工作范围内时,门禁机读取M1卡的序列号SN,判断收到的卡号是否合法,合法则驱动电磁门锁开门,并暂时保存其开门记录;如果是非法卡(未经授权或已挂失的卡)则拒绝开门并上传报警信息。系统定时采集各
9、门禁点的出入记录并加以存储、分析、处理。硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C52、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路、监控电路、NRF903无线通信接口电路以及电磁门锁等部分组成,其硬件框图如图2所示: 图2 门禁系统硬件框图 4.1 无线通信接口电路模块4.1.1 nRF903芯片介绍系统的无线通信模块采用了Nordic VLSI 公司的单片UHF多段无线收发芯片nRF903。nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM频段,无需申请频点,具体工作频率可以通过与之相连的单片机进行设置。nRF903片内集成了电源管理、单片机
10、接口、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块,外围元件少;曼彻斯特编码/ 解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF903采用易于获得的11.0592MHz晶振和10.7MHz滤波器,它内部集成了变容二极管,并通过频率合成器合成工作频率,因而大大降低了成本并增加了使用的灵活性。nRF903采用优化的GMSK调制解调技术,可在155.6KHz的有效带宽下传输最高76.8bps的数据;天线接口设计为差分天线,因而可采用低成本的PCB天线;最大发射功率+10 dBm,接收灵敏度为460 dBm ,在开阔地传输距离一般可达600m以上。nRF903工作
11、电压:2.7-3.3V ,低功耗。nRF903还具有待机模式,这样更节能和高效。工作温度:-40+85,发射电流:31mA,接收电流:23mA,输出功率:+10dBm,速率:76.8kbps。4.1.2 nRF903与MCU的连接nRF903 采用SPI(串行外设接口) 与微控制器通讯,它自动处理字头和CRC校验 ,使用极为方便,只需将要发送的数据和接收机地址送给nRF903, nRF903 自动完成数据打包(加字头和CRC 校验码)发送,在接收中有载波侦测引脚,接收到正确的数据包时,自动移去字头、地址和CRC 校验码,然后通知微处理器取数据。nRF903与MCU的接口电路如图3所示。nRF9
12、03 的双向数据线DATA 分别连接在AT89C52 的RXD 和TXD 引脚,RXD 和TXD 之间通过一个10k的电阻隔离。AT89C52 通过连接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 对nRF903 进行工作模式设置,通过连接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 对nRF903 工作参数进行配置,以串行方式将14 位的配置字移入nRF903 的寄存器中,从而实现对频段、通道、输出功率和输出时钟频率的配置。图3 nRF903与MCU的接口电路4.2 非接触式IC卡门禁系统的构成非接触式IC卡门禁系统由非接触式IC卡、读卡器和PC管理机组成
13、,此外还包括外部门禁设备。(1)读卡器:是门禁系统的主要设备,直接与PC机通过RS一232串行口相连,只要有非接触式IC卡进入读卡器天线射频能量范围,读卡器便通过射频信号与IC卡通信,认证密码,读取卡中的数据,并将其存入计算机中。(2)非接触式IC卡:相当于开门钥匙,它是通过磁力线圈产生感应电流向读卡器发射卡内信息,完成读卡工作的。(3)PC管理机:门禁系统有不同的构成方案,一种是读卡器不带存储器,PC机直接与读卡器相连,读卡信息实时地传送给PC机。另一种是读卡器独立工作。在本设计中采用的是第一种方案。(4)门禁设备:门禁设备由读卡器中单片机的I/O口根据刷卡情况发出控制信号控制,密码认证通过
14、开门,否则不开门。在读卡器上用喇叭来仿真。4.2.1 读卡器门禁系统的关键部件是读卡器,它由微处理器、外围扩展器件、读写芯片、射频天线、串行通信接口等几部分组成。接上串行口和+5V电源之后不仅可以读卡而且可以与计算机进行通信。其内部结构框图如图4所示。该读卡器是针对Philips公司MIFARE产品设计的,能够读写MIFARE列的非接触式IC卡。非接触式IC卡读卡器技术指标如下:(1)读写卡片类型:MIFARE;(2)天线可操作距离:天线的可操作距离为510cm;(3)卡片存储容量:卡存储EEPROM大小为1K字节;(4)射频输出:通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级;(5)供电电压:5
15、V士10(小于100mA);(6)接口:标准RS232(读卡器)图4 读卡器内部结构框图4.2.2 读写芯片前面已经选定Philips公司的Mifarel卡为本论文的射频卡,因而射频读写芯片也就在Philips公司的芯片产品中挑选。MF RC530由于可以支持33V电源供电,一般多用于手持设备:MF RC531则多用于支持TYPE B型卡的场合。而MF RC500的性价比最高,市场应用最为广泛,购买也最方便。所以本论文决定选用MFRC500射频读写芯片。MF RC500是基于1356MHz非接触式通信模式、低成本、高集成、高性能的读卡芯片,具有下列的特性:该芯片利用了先进的调制和解调概念,完全
16、集成了在1356MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议,支持ISOflEC 14443A所有的层, 内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线,最远可达100mm。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路,用于ISA兼容的应答器信号。 数字部分处理ISA帧和错误检测。此外,它还支持快速CRYPT01加密算法用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器,这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。4.3 非接触式IC卡系统4.3.1 非接触式IC卡系统的构成非接触式IC卡系统由非接触式IC卡和非接触式IC卡读卡器构成。非接触式IC卡与接触
17、式IC卡相比,有以下特点:可靠性高、寿命长操作快捷便利、动态处理成本较高、安全性高4.3.2 非接触式IC卡的功能组成本论文采用的非接触式IC卡是Philips公司的MIFARE 1卡,以M1卡作为用户卡,以用户卡的序列号SN为依据控制门。非接触式IC卡的功能组成如图5所示:图5 非接触式IC卡的功能组成图 5、软件设计5.1 设计思路基于无线传输的非接触式IC卡门禁管理系统,该门禁系统运用基于专用无线传输芯片的短距离无线数据传输技术,构建了一个使用简单的非接触式IC卡读写系统。采用多点跳传无线数据传输方式,为避免多个工作点传输时发生冲突,发送端与接收端采用握手联络的方式通信。软件主程序是系统
18、的监控程序,主要完成初始化,控制程序的流向,调用子程序等功能。单片机对Mifare非接触式智能卡的控制是通过MF RC500来实现的,MF RC500是单片机和MIFARE接触式智能卡之间的通信载体。单片机对MF RC500的控制是以单片机发出MF RC500的指令来达到的,MF RC500收到指令之后执行这些指令。5.2 主程序设计软件主程序是系统的监控程序,主要完成初始化,控制程序的流向,调用子程序等功能。其工作流程如图6所示。上电复位后,程序开始运行。图6 主程序工作流程图5.3 MF RC500应用子程序设计单片机对Mifare非接触式智能卡的控制是通过MF RC500来实现的,MF
19、RC500是单片机和MIFARE接触式智能卡之间的通信载体。单片机对MF RC500的控制是以单片机发出MF RC500的指令来达到的,MF RC500收到指令之后执行这些指令。单片机对MFRC500的某一指令操作不是简单的一条指令所能完成的,必须有一个程序的序列来完成,其中有对MF RC500硬件内核寄存器的读、写以及根据读出的硬件内核寄存器的内容进行语言软件上的判断和设置。5.3.1 AT89C52对MF RC500的初始化写41H到寄存器RxControl2: 译码源来自内部写5BH到寄存器TxControl: 使能TXl和TX2脚,设置调制源来自内部写ADH到寄存器BitPhase:
20、设置天线的位相值写OOH到寄存器MfOutSelect: 设MFOUT引脚为低电平5.3.2 AT89C52对MF RC500的操作AT89C52是通过对MF RC500的控制来实现对Mifare l卡的读写操作,所以在软件上我们首先要设计好AT89C52对MF RC500的控制,主要有以下三方面:(1)设置MF RC500的状态:(2)通过读MF RC500的状态标志来监视MF RC500的工作情况;(3)发送命令,要求MF RC500执行相应的动作。实现上述的控制操作都是通过读写MF RC500的寄存器来实现的:设置MFRC500就是设置寄存器的某些位;监测MF RC500即读状态寄存器的
21、标志位;执行命令要向命令寄存器写入命令代码以及通过FIFO缓冲寄存器向缓冲区写入令参数。5.3.3 AT89C52对MF RC500的控制指令AT89C52对MF RC500的控制过程是:AT89C52先通过FIFO缓冲区将指令写到Command寄存器中,而后MF RC500读取这个寄存器,即执行这些指令。MF RC500的指令主要有:Request std,Request atl,Anticollision,Select,Loadkey,Authentication(Auth la,Auth lb),Read,Write,Increment,Decrement,Restore,Transfer,Halt等等。指令的启动只需要将相关的命令代码写到Command寄存器中,执行命令所需要的变量和数据都是通过FIFO缓冲区来传递,读这个寄存器就可以知道正在执行哪条命令。5.4 通信协议采用多点跳传无线数据传输方式,数据必须进行规定格式的处理,数据包的格式如下:D_ADDS_ADDL
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