基於RFID的門禁系統設計

基於RFID的門禁系統設計

秩名 發表於 2011-10-17 14:15:46

門禁系統，又稱為出入口控制系統，是對重要區域或通道的出入口進行管理與控制的系統。隨著社會的發展，它已不局限於簡單的對門鎖或鑰匙的管理，而是集自動識別技術和現代化管理技術與一體的新型現代化安全管理系統，已成為安全防範系統中極為重要的一部分，被廣泛應用中智能大廈、辦公室、賓館等場合。目前，門禁系統的控制手段主要有：指紋識別、人臉識別、虹膜識別和射頻卡等。前3種方式都屬於生物識別技術，是以人體某部分的特徵為識別載體和手段，其唯一性和不可複製性決定了其是最安全的身份驗證方法，但其價格昂貴，難以普及，且涉及到個人隱私，只適用於高端和絕對機密的場所。

　　射頻卡是無線射頻技術和智慧卡技術相結合的產物，其具有使用簡單、維護方便等特點。

　　為了提高門禁系統的現代化管理和遠程監控能力，介紹了一種基於Web技術的門禁系統。系統採用無線射頻技術，當讀寫器的射頻範圍內出現非接觸式IC卡時，讀卡並將信息通過串口通信傳送給伺服器進行相關的數據處理，並構建了基於C/S模式的管理平臺，管理員可通過Web網頁對門禁控制器查詢和控制，從而有效地實現在網際網路的任何位置對信息的實時監控。

　　1  系統架構

　　系統採用非接觸式IC卡，利用無線射頻識別技術RFID（RadioFrequencyIdentification）檢測IC卡，當IC卡靠近讀寫器時，讀寫器能準確地對其識別，並將其序列號發送給主控器和PC機，通過應用程式連接後臺資料庫獲取與該卡號對應的用戶信息。

　　若該卡已進行註冊，則通過驗證並通知控制器開門，並記錄卡號和開門時間，反之則禁止通行並告知持卡人離開。

　　系統由電子標籤、讀寫器、串口通訊、伺服器和用戶終端五部分組成。如圖1所示。讀寫器是系統的核心，其通過射頻信號與IC卡（電子標籤）通信，完成讀卡、存儲和發送數據的工作，其可以獨立工作，也可聯網工作，文中採用RS232串口通信與伺服器相連。

　　伺服器和用戶端之間採用C/S結構，應用軟體與資料庫SQLSERVER2000連接通過ADO對象實現，兩者通過區域網實現互聯。在系統管理員授予權限的情況下，用戶均可以查詢、統計、列印管理系統的所有相關記錄。

 

　　2  硬體設計

　　2.1  硬體總體設計

　　射頻讀寫器是系統的核心，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，負責對射頻信號的處理和數據的傳輸，完成對IC卡序列號讀取的任務，如圖2所示。

 

　　電子標籤，即射頻卡，由IC卡片、感應天線組成，封裝在一個標準的PVC卡內，晶片及其天線無任何外露部分。卡片無需電源，在一定範圍內靠近讀寫器時，通過天線的傳遞來完成數據的讀寫操作。本文選用Philips公司的Mifare1卡，該卡基於ISO14443TYPEA國際標準，每張卡具有全球唯一的序列號，具有防衝突功能。

　　天線的作用就是產生磁通量，為卡片提供電源，在讀寫器和卡片之間傳送信息。天線的有效電磁場範圍就是系統的有效工作區域。

　　讀寫晶片選取Philips生產的用於讀寫Mifare1卡的專用晶片MFR500,工作頻率為13.56MHz。

　　主控器由AT89S52單片機及其外圍電路組成，負責控制讀寫模塊、與PC機間的串口通信和對外部設備的控制操作。其中單片機對讀寫模塊的操作就是通過控制MFRC500來實現對Mifare1卡的操作。

　　它是單片機與IC卡之間數據傳輸的橋梁。

2.2  射頻電路設計

　　射頻電路的核心是讀寫晶片MFRC500,它是單片機與IC卡之間數據傳輸的橋梁。其與單片機的連接如圖3所示。

 

　　單片機對讀寫晶片採用中斷控制方式，中斷控制口INT0與MFRC500的IRQ腳相連。MFRC500內部有64個寄存器，單片機通過往寄存器裡寫入控制命令來對其進行配置和操作，其中掉電檢測引腳RSTPD連接單片機P2.0腳，NCS腳連接P2.7腳，NWR、NRD分別連接至單片機讀寫埠WR、RD腳，數據口D0~D7連接至單片機P0口石英晶體振蕩器產生13.56MHz的工作頻率，L1、L2、C5、C6構成的低通濾波器用於抑制晶振電路同時產生的高次諧波。接收電路由R1、R2、C3、C4組成，採用MFRC500內部產生的VNID電勢作為RX腳的輸入電勢，為了減少幹擾，VIND腳連接一電容C3到地，且必須在RX和VNID之間連接一個分壓器（R1），最好還在天線線圈和反壓器之間串連一個電容（C4）。為了獲得更好的性能，在電路板布線時，這些元件應緊靠MFRC500晶片天線引腳RX、TX1、TX2。

　　2.3  天線電路設計

　　為了獲得穩定可靠的射頻信號，天線的性能至關重要，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因數Q有關，Q與天線的幾何形狀、大小、圈數等因素有關。

　　系統設計的是近距離耦合式IC卡，天線製作選用PCB天線，即直接在PCB板上製作天線電路板，該法穩定性較好。

　　天線連接到讀寫晶片時，需要外加匹配電路。如圖4所示。系統對天線進行了大致估算，並通過改變匹配電路的電容值，以達到最佳的讀寫距離。

 

　　3  軟體設計

　　系統軟體包括下位機和上位機管理系統兩個部分。其中下位機以AT89S52單片機為核心，實現對讀寫器的讀取、門禁的控制和串口通信。採用的程式語言是C語言，編譯器是KeilC51。上位機管理軟體運行在伺服器上，採用VisualC++6.0和SQLSever2000進行系統管理和資料庫開發，包括串口通信、監控管理和信息發布三部分。其中監控管理軟體用於實現用戶註冊、記錄查詢、刪除等任務，信息發布用於管理員通過web網頁來查看門禁的日誌記錄等工作。

　　3.1  下位機軟體設計

　　軟體運行在單片機上，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。軟體核心是實現MFRC500與Mifare1卡之間的通信，通信需遵循ISO14443TYPEA標準傳輸協議。讀卡過程必須嚴格按照固定的順序進行，即復位應答防碰撞選卡認證讀寫卡。由於該卡是可讀式，只需讀出卡的序列號即可，不需對相應扇區做寫操作，故可忽略認證這一步。主要代碼如下：

 

3.2  上位機軟體設計

　　在VC++6.0編程環境下，利用CSerialPort類來實現串口通訊，接收發送而來的IC卡序列號，而後通過ADO技術訪問資料庫獲取該卡對應的用戶信息進行驗證處理。

　　系統基於SQLSERVER2000進行資料庫開發，管理員進入系統必須輸入帳號和密碼，以阻止非系統管理員非法登錄系統。之後管理員可完成對卡號信息的註冊、查詢、修改和刪除等工作，並將來訪信息（用戶和通行時間）記錄在資料庫中，以便進行數據統計和查詢等。監控管理軟體的功能模塊如圖6所示。

 

　　信息發布模塊基於ASP.net實現，實現過程主要是通過ado.net讀取SQLServer資料庫的監控管理信息表，做成信息發布網站部署到IIS伺服器，這樣，用戶就可以以訪問網頁的形式在任何位置查看系統信息和門禁記錄。

　　4  程序運行

　　以桂林電子科技大學電子工程學院實驗室門禁管理為例，實現了系統的軟硬體設計。管理員輸入帳號和密碼後，進入如圖7所示的監控管理軟體主界面。

 

　　經測試，IC卡有效工作距離為6cm。當IC卡響應時，系統自動顯示卡號、持卡用戶信息以及進入時間，並自動存入後臺資料庫。由於Mifare1卡具有全球唯一的序列號，故會員註冊時可將會員信息與IC卡序列號捆綁在一起存入資料庫。這樣查閱信息時可按照時間或直接按照姓名進行精確查找。

　　5  結語

　　提出的基於RFID和Web服務的門禁管理系統為重要部門的出入提供了智能化控制和遠程管理機制。採用無線射頻技術RFID實現無鑰匙化出入，不易損失、可重複使用；採用SQL資料庫和Web服務實現門禁的遠程監控，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用前景。

 

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