基于RFID及GSM技术的联网电子门禁

1、基于RFID及GSM技术的联网电子门禁 II基于RFID及GSM技术的联网电子门禁摘要：为了识别进出人员的身份，从而保证家庭及部分商业场所的安全，门禁系统随之出现。常见的电子门禁，主要有基于磁感应原理的，如商场进出口门禁系统，这种门禁系统一般是须要值班看守的；射频卡门锁，这种门禁是以射频卡作为钥匙，其功能类似于密码锁，这种门禁系统不需要值班看守。本文利用射频卡识别(RFID)及GSM技术设计了一种电子门禁。本文设计的电子门禁包括主机、从机两部分。主机负责射频卡的识别及GSM无线通讯；从机是可移动的人体红外信号检测节点，与主机之间通过蓝牙(Bluetooth)技术进行小范围无线通信。系统具有一定

2、的实用价值，运行稳定，很好的实现了身份识别功能。关键词：射频卡识别 GSM技术 人体红外信号检测 蓝牙技术A NetworkedElectron Access Based on RFID and GSM TechnologyAbstract：In order to recognizethe identity of the person,the entrance guard systemappears; ensuring the security offamilyand someplaces of business. The common electron accessmainly based

3、on the principle ofmagnetinduction, such as shopping mallsimport and exportcontrol system,thecontrolsystem is generallyneed toguard on duty;RFcard lock,thedoorisregarded theRF cardas the key,and its function is similar to thepassword lock,theentrance guardsystem does not need theguard on duty. Elect

4、ron access control in this paperis designedincludestwoparts: the host and subordinatemachine.The host machine is responsible for recognizing RF cardand GSM wireless communication;the subordinate machine is the detecting node of moving human body infraredsignal, throughBluetooth technology in small r

5、angewireless communication with hosts.The systemhas a certain pragmatic value and stable operationto achieve a goodidentification function.Keywords: RFID; technology of GSM; infra-redsignal detection; technology of Bluetooth II目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388713637 摘要 1、绪论1.1 课题意义 随着当今社会经济水平的快

6、速发展，人们越来越关心家庭及商业场所等建筑内部的安全性。为了适应现代社会的需要，保证建筑内部的安全性，满足如今用户的各种需求，门禁系统是其中运用最为广泛的一种技术。门禁系统出现在中国已有十多年了，它是一种综合了很多学科的高科技技术，涉及了光学、生物学、机械、通信技术、电子和计算机技术领域。射频识别技术(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带

7、来革命性变化。射频卡在现代社会使用的也越来越来广泛，而且使用起来很方便，因此将射频卡与门禁系统相结合，可以通过射频识别技术，识别出不同的卡号。此外射频卡还可以实现一卡多用，具有广泛的应用前景。1.2 基本理论依据每张射频卡都有唯一特定的卡号，通过由MF RC522芯片构成的射频识别模块，使用读写模块RC522对射频卡进行操作，读出当前卡的唯一卡号，系统根据卡号识别使用者的身份，并将使用者的身份信息加以显示。当使用者刷卡时给予提示，已注册用户刷卡时门禁系统给予通行，未注册用户刷卡则通过GSM模块发送预警短信到预设的值班人员手机，值班人员可通过短信远程控制使用者进出权限。同时，该门禁系统可以自由添

8、加删除以及查询用户，实现及时更新。由于射频卡识别模块是可移动的，在设计时用了网络线缆进行连接。主机在正常工作时是依靠蓄电池供电的，因此在电路中设计了电池电量检测电路，在电池电量不足时会有指示灯提示；同时配有充电电路对蓄电池进行充电。本设计的另一大突出特点是添加了可移动的人体红外检测节点，实现非法人员的识别，构成从机部分。人体红外检测节点使用了两个热释电红外传感器，将检测到的信号通过蓝牙发送到主机。为使移动节点在以电池作为工作电源时最大程度的节能，在没有通信信号时，检测节点工作在低功耗模式，仅在通信时才正常工作。2、设计要求及方案选择门禁系统的设计方法是软硬件相结合，既能够将功能可视化又能简化电

9、路。硬件电路包含单片机、射频模块、GSM模块及液晶模块构成的主机部分和人体红外检测模块和蓝牙模块构成的从机部分。软件部分包含各种程序控制语言。设计整个系统时需要将软硬件的功能相协调，使所编代码能驱动硬件电路的功能实现，二者紧密配合，从而实现系统功能。2.1 设计要求本门禁系统是应用于家庭及部分商业场所等建筑物大门的门禁系统，因此，它包含以下几点要求：有人员刷卡时，识别所刷卡是否已注册；当已注册人员刷卡时，显示人员相关信息并给予提示，表明允许通过，并打开大门，经过一段时间间隔后关闭大门；当未注册人员刷卡时，发送短信至预设值班人员的手机，大门保持关闭，直到收到值班人员的回复，再选择允许或禁止进入；

10、当人体红外检测模块检测到有人通过时，若刷卡人为已注册用户，则自动忽略，若为非法用户或无人刷卡，则通过蓝牙发送给主机，再发送短信至值班人员手机，确保建筑物安全。2.2方案选择在门禁系统中，最重要的就是对人员身份的识别。整个门禁系统的安全系数和成本高低基本都是由这个部分决定的。门禁系统中的人像识别和卡片识别各有优缺点，下面，就对这两种识别方式进行比较，并做出选择。方案一：利用人像识别技术完成门禁系统。人像识别，是人的指纹，虹膜或是面部特征的识别。但此项技术对人员要求较高，一旦面部伤痕或是手指被划破或眼睛充血就会造成识别错误。对于面部识别，长相相像的人也可以通过识别进出门禁。对于指纹识别，在寒冷的冬

11、季，人员还需脱下手套进行识别，系统人性化程度不高，而且整个系统成本较高，不适用于大范围推广。方案二：利用射频卡识别技术完成门禁系统。射频卡是目前使用比较广泛的一种卡，它被应用于各种场合。射频卡的好处是操作简单方便，与设备之间无需接触，密封性良好，因此寿命较长；卡片内的信息难以被复制，所以安全系数较高。整个系统成本与人像识别技术相比低了很多，适合大范围推广。通过对以上两种方案的比较，我们可以看出射频卡在本次毕业设计中占有巨大优势。最终选择了第二套方案。2.3设计方案简述2.3.1主机部分设计主机是系统的核心控制部分，主要由单片机构成的，外围配上MF RC522射频识别模块、1602液晶显示模块、

12、GSM模块、蓝牙模块、蜂鸣器和电源电路和稳压电路等。MF RC522模块需要单独使用3.3V的电源进行供电，它的主要功能是完成对射频卡卡号的读取，将读取到的卡号通过串口传送到单片机，供单片机后续的处理使用。1602液晶显示模块主要为了实时显示刷卡者的身份信息和其他各项提示。GSM模块是主要是当非法用户进入是发短信即使通知值班人员处理。蓝牙模块主要是和从机通信，当有不明人员通过时，从机及时告知主机，再由主机发短信通知值班人员处理。蜂鸣器电路主要有两个功能：1，当已注册人员刷卡时给予允许通过的声音提示；2，当未注册用户刷卡时或不明人员通过时则发出警报声提醒管理者。单片机控制中心 GSM模块 液晶1

13、602 蓝牙（主）蜂鸣器射频RC522 按键模块主机部分框图如图2.1所示：图2.1 主机系统主要组成框图2.3.2 从机部分设计从机主要由单片机构成的，外围配上人体红外检测模块和蓝牙模块。人体红外检测模块主要是当有人通过时将检测到的信息交由单片机处理再通过蓝牙发送到主机，实现及时通知值班人员的功能。单片机人体红外检测蓝牙（从）从机部分框图如图2.2所示。图2.2 从机节点组成框图3、详细设计3.1 硬件设计系统主要分为主机和从机两个部分，主机包括单片机模块、液晶显示模块、RC522射频识别模块、GSM模块、按键模块和蓝牙模块；从机包括单片机模块、人体红外检测模块和蓝牙模块。其中主机部分单片机

14、采用的是STC12C5A16S2单片机；RC522 射频模块用来对射频卡进行读写操作；GSM模块用来发送短信到值班人员的手机；显示模块采用1602液晶显示提示代码；蜂鸣器给予声音提示；按键部分可以实现用户的添加删除和查询功能；蓝牙模块用于与从机无线通信。从机部分单片机采用的是STC公司的STC12C2052AD单片机；人体红外检测模块用于检测移动的人员；蓝牙模块用于与主机通信。具体设计方案如下所述。3.1.1主机部分设计1)单片机系统设计本系统中主机部分采用的是STC公司生产的STC12C5A16S2单片机,这种单片机是STC12C5A60S2系列单片机的一种双串口单片机，是新一代8051单片

15、机，但相比较而言其高速，低功耗，超强抗干扰，且指令代码完全兼容传统8051单片机，速度快8-12倍。选用该型号单片的主要原因是其内存大，具两个串行通信口。该型单片机关键技术参数如下：1、工作电压：3.5V5.5V；2、工作频率范围：035MHz,相当于传统8051的0420MHz;3、片上集成1280字节RAM；4、ISP(在系统可编程)/.IAP(在应用可编程)，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序；5、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C震荡器，用户在下载程序时可选用内部R/C震荡器或外部晶体/时钟，精度要求不高时可选择内部R/C震荡；6、4个16位定时器，3个时钟输出口；

16、7、通用全双工串行口，双串口；STC12C5A16S2单片机最小系统如图3.1所示：图3.1 主机最小系统2) MF RC522模块设计MF RC522模块在系统有着至关重要的作用，读取射频卡的卡号的任务将由该模块完成。MF RC522是NXP公司生产的非接触式读写卡芯片，读写芯片的标准工作电压为3.3V，频率为13.56MHz，其特点是小型化和低功耗，使用27.12MHz的晶振。MFRC522通过内部发送器可以驱动天线与射频卡进行通信，可实现各种不同主机接口的功能：SPI、串行UART、I2C。根据本次设计所需要的功能，在射频卡的选择上选取了非接触式射频卡。非接触式射频卡包含射频芯片和感应天

17、线（LC回路）两部分，电路被封装在一个标准PVC卡片中。射频卡的读写功能是由与读写器之间的电磁感应完成的。 选择它是因为它的两大好处：1.它的稳定性和实用性已在全国的交通系统中的应用得以证明,只要接触距离小于10cm，就可以读出卡内信息。由于不要求接触，因此读卡器的表面可以被设计成无凹凸状，这样起到了不易损坏的作用，使系统的稳定性进一步提高。2.射频卡工作时不需另外供给能量，所需要的能量是在与读写器发生电磁感应的过程获取的。本次设计采用通信线缆实现单片机和射频电路的连接。DB9通信线缆在使用时并没有按照标准协议进行连接，而只使用了其移动式通信线缆功能。自定义的9针接口协议及射频电路连接如图3.

18、2所示。 图3.2 自定义DB9接口协议及射频电路为实现RC522工作时3.3V电平与单片机5V电平匹配，所有数据通信接口均串接了1K限流电阻，以保护低电平器件正常工作。3) GSM模块设计本系统设计中使用的GSM模块是 Siemens 公司的TC35I。TC35I是Siemens公司推出的新一代无线通讯模块，可以快速安全地实现数据、语音的传输、短信息服务（SMS）和传真等功能，它可以工作在GSM 900 kHz和1 800 kHz两个频段，RS232数据口符合ETSI 标准GSM0707和GSM0705。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输

19、；通过ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。该模块向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35I模块主要由 GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(AS射频)、闪存、ZIF连接器、天线接口六个部分组成. 单莹，刘旭儒，史仪凯. 非接触式13.56MHz读卡器的设计J . 工业仪表与自动化装置. 2011年第3期：27-29.TC35I的构成框图如图3.3所示：电 源 部 分GSM 射频部分GSM基带处理器天线接口FLASH40芯ZIF插座图3.3 GSM模块组成GSM模块电路如图3.4所示：图3

20、.4 GSM串口接口协议4) 液晶显示模块设计1602 液晶模块内部的字符存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、日文假名等，每一个字符都它对应的固定代码，比如大写的英文字母“A”的代码是41H，也就是说要看到字母“A”,显示的时后模块就是把地址41H中的点阵字符图形显示出来。1602液晶显示模块主要用于显示当前用户的信息以及系统的工作状态。当手持射频卡人员刷卡时，液晶会显示对应卡号，并显示允许进入；让陌生卡刷卡时，液晶会显示错误卡号并显示短信正在发送中。模块电路图如图3.5所示：图3.5 液晶显示电路5) 存储模块设计

21、AT24C02是美国Atmel公司的CMOS型E2PROM,它的功耗较低,内含256*8位存储空间，具有以下特点: 工作电压宽(2.5V5.5V)，擦写次数多(大于10000次)，写入速度快(小于10ms)，抗干扰能力强，数据不易丢失，体积小等;并且它进行数据读写的串行操作是采用IC总线式，只占用很少的资源和I/O线。AT24C02内部有一个16字节页写缓冲器，该器件通过IC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02支持IC总线数据传送协议，IC总线协议规定：任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件

22、控制的，主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式。 张宏林. 精通Visual C+串口通信技术与工程实践M . 北京：人民邮电出版社. 2008.73 雷玉堂. 各类门禁系统的比较及其发展J. 中国公共安全(市场版),2007,Z1:94-99.4 刘松,赵忠,孙学磊.基于GSM 的远程家庭智能监控系统设计J.电子测量技术,2009,32(1):89-91.5 张俊. SMS 短消息传输的远端控制技术及其实现J .仪器仪表学报,2003 ,24 (4) :610-611.存储模块的电路如图3.6所示：图3.6 存储模块电路根据24C02存储空间256字节

23、计算，射频卡的卡号长度为4字节，最大存储用户数量为64，因内部第一字节用于存储注册用户总数，总有效可注册用户数量为63。按键模块主要用来实现删除添加和查询的功能。具体功能如下：删除功能：本系统可以实现一键删除功能，能够将系统内存储的所以射频卡信息删除。添加功能：本系统可以依次添加各种射频卡信息，长按添加按键此时将要添加的射频卡放入读卡区，液晶显示屏上会显示添加成功。查询功能：查询可分为上下选择，由两个按键控制。选择“上”按键可以查看上个射频卡信息，选择“下”可以查看下一个射频卡信息。6) 蓝牙模块设计蓝牙模块主要用来和从机之间进行通信。Bluetooth 技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的

24、产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等。低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得 Bluetooth 技术甚至可以应用于极微小的设备中。蓝牙模块电路如图3.7所示：图3.7 蓝牙模块主要电路蓝牙电源电路是采用MD5330的3.3V LDO低电压稳压器。MD5330功耗低，电流大稳定性好，使得整个蓝牙模块的电源稳定，其中在蓝牙模块的RX,TX分别串联两个1K电阻用以匹配两个工作电平，使蓝牙模块能够长期稳定工作。3.1.2 从机部分电路设计1)单片机模块设计为尽可能减小从机部分封装体积及功耗，采用STC公司的STC12C2052AD 20引脚单片机，单片机模块电

25、路图如图3.8所示：图3.8 从机单片机部分电路2) HC-SR501人体红外感应模块D-SUN PIR 人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。它具有一下特点: 灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式等,因此被广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器，对于探测到的变化红外信号，该模块将产生单脉冲输出。为增强抗干扰能力，使用了传感器对和与非门构成单片机可检测的下降沿中断。 模块电路如图3.9所示：图3.9 人体红外检测电路3)蓝牙模块电路蓝牙模块用于和主机通信，详述见主机部分蓝牙模块设计

26、。蓝牙模块电路图如图3.10所示：图3.10 从机蓝牙电路4)电源模块电路电路图如图3.11所示：图3.11 从机部分的电源电路3.2软件部分3.2.1 双机通信协议设计在系统工作过程中，从机节点要与主机在有效距离范围内通信，并要求通信稳定。为实现通信信号的有效传输，设计了以下通信协议。图3.13 双机通信协议通信协议设计时一帧数据长度为4字节，其中第1、2字节为起始字节，表示通信数据帧开始，第4字节为结束字节信号。第3字节分别以0 xff、0 xbb、0 xcc表示通信连接、信号发、主机回的三个状态字节。3.2.2 MF RC522模块程序框图读卡程序框图开 始内部总卡数显示是否有IC卡显示

27、当前卡号该卡是否已添加错误信息结 束图 3.14 读卡程序流程3.2.3 按键模块程序框图开 始添加按键是否按下添加成功添加失败“上”或“下”按键是否按下查看下一条信息“删除”按键是否按下删除成功结束删除失败图3.15 卡操作函数流程4、电路调试图4.1所示为系统上电后的显示界面，其中LCD1602液晶显示“Cards Number：07”表示此事系统中已经存入7张射频卡的信息，用户可以通过添加和删除来改变系统中存储的射频卡的个数，以方便用户使用。图4.1 系统上电正常显示状态图4.2为用户使用非法射频卡或者人体红外检测到人体时通过蓝牙发送到主设备，从而主设备通过GSM模块向用户发短信的界面，

28、显示短信正在发送中。图4.2 主机报警过程图4.3为用户射频卡刷卡后LCD1602显示用户射频卡信息的图片。其中“Card：25AB0080”为合法的用户射频卡号，说明此卡信息已经存入到系统中。图4.3 注册用户的刷卡操作5、总结耗时六个多月，我的毕业设计终于按照毕业设计要求的进度完成，实现了使用方便和成本较低的预定的功能。六个多月的毕业设计，我感慨很多。首先，有了三年多的实践学习经验，在电路焊接的部分自然比较顺利，对于每个元件也有了深刻的认识。但是在完成的过程中，还是遇到很多问题的，特别是软件部分。因此我充分利用了丰富的网络资源和学校图书馆的书籍，并与指导老师积极讨论，将问题一一化解。在所有的问题中，最大的困难是在进行系统调试时，我发现对于GSM和蓝牙通信模块部分的功能实现的并不稳定，人体红外检测部分的初始化时间很长，主机与从机之间的蓝牙通信不是