【正文】 獻 ......................................................................................................................60附錄 A 攻讀學位期間發(fā)表的論文 ............................................................................63附錄 B 攻讀學位期間參加的科研項目 ....................................................................64附錄 C 部分電路圖 ....................................................................................................65附錄 D 模塊程序 ........................................................................................................68致謝 ..............................................................................................................................85高校教師碩士學位論文1第 1 章 緒論 課題背景及意義射頻識別技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，作為條形碼的無線版本，RFID 技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點，其應用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。本文研究的基于射頻識別技術的門禁系統(tǒng)就是這樣的一種系統(tǒng) [1]。門禁系統(tǒng)屬于樓宇自動化系統(tǒng)的一部分，具有對門戶出入控制，保安防盜，報警等多種功能，它主要方便內部員工或住戶出入，杜絕外來人員隨意出入，既方便了內部管理，又增強了內部的保安。智能建筑的推廣，建立連網(wǎng)門禁系統(tǒng)也成為一種趨勢，門禁系統(tǒng)將有更廣闊的發(fā)展空間?；谏漕l識別技術的門禁系統(tǒng)的設計2 國內外研究發(fā)展現(xiàn)狀1．國外研究現(xiàn)狀目前，歐美門禁系統(tǒng)市場正逐漸進入成熟階段，其產(chǎn)業(yè)的分工已進人細分階段，生產(chǎn)卡和讀卡器的廠家就只生產(chǎn)卡和讀卡器，如美國的HID公司、Hldala公司、德國的Destele公司。正是由于市場的不斷成熟，人們在普遍接受門禁系統(tǒng)的觀念之后，在采購方面已可很方便地分別從不同公司采購到各部分設備，自己進行系統(tǒng)集成就可為用戶方便安裝成整套系統(tǒng)。當今世界上非接觸式 IC 卡主流產(chǎn)品是 Philips 公司的 Mifare 技術，己經(jīng)被制定為國際標準 ISO/IEC14443 Type A 標準。此外還有一種 MF3ICD40 卡，密碼機制更加完善，不是按塊而是按文件操作，波特率高達 106424Kbps，有防撕扯功能、值文件功能等 28 種用途 [4]。美國德州儀器公司（TI 公司）的 ID 卡是一種低頻只讀卡，內部有 8 字節(jié)（64 位）ID 號碼，已經(jīng)應用在門禁考勤系統(tǒng) [20]。第二種方法是，除了核心芯片購外，其余部件都是對國外優(yōu)質產(chǎn)品進行研制。由于其門禁系統(tǒng)的部件大多采用國外先進集成電子工藝和原材料制造，○ 1因此其性能很高。由于注重系統(tǒng)的高性能和廣泛的適用性，這些門禁系統(tǒng)大多價格較高，○ 4這是國內很多中小型廠家不能接受?；谏漕l識別技術的門禁系統(tǒng)的設計4 本文主要研究內容本文針對國內目前的市場需求情況，研發(fā)了一套基于 RFID 的門禁系統(tǒng)，論文在探討了基于射頻識別技術的門禁系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術基礎上，研究射頻天線的設計和應用 RS485 的網(wǎng)絡拓撲結構，設計開發(fā)系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，給出制作射頻識別 IC 讀卡器的電路原理圖和 PCB 板，設計主程序流程圖和模塊子程序，并進行聯(lián)機調試，完成實驗樣機的研制工作。給出了總體程序流程圖和模塊化設計，并作了子程序的編譯，在附錄給出具體的程序；總結與展望。應當注意的是當前的RFID 系統(tǒng)有很多工作頻段，包括了低頻、高頻和超高頻段?？傊琑FID系統(tǒng)可在更廣泛的場合中應用 [1][2] 。讀寫器計算機射頻前端邏輯控制存儲器應答器圖 射頻識別系統(tǒng)原理圖RFID 應用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應電流通過基于射頻識別技術的門禁系統(tǒng)的設計6射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進行信息處理，所需回復的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。這些標準除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外，還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關的技術規(guī)格進行了規(guī)范。而 1m 以上遠距離的應用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的 RFID 天線，它們工作在高頻及微波頻段。??聯(lián)等效電容)。某些應用要求 RFID 天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動物識別的 RFID。通常貼片天線的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波長，假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化，僅沿約為半波長(λ/ 2) 的導體長度方向變化， 則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的邊緣場引起的，輻射方向基本確定。偶極子天線及其演化形式見圖 ，其中偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成，信號從中間的兩個端點饋入，在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布，這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。在忽略天線粗細的橫向影響下，簡單的偶極子天線設計可以取振子的長度 l 為 λ/ 4 的整數(shù)倍，如工作頻率為 2. 45 GHz 的半波偶極子天線,其長度約為 6 cm。射頻卡中有存儲器，內存容量為幾個比特到幾十千比特?？刂颇K完成接收、譯碼及執(zhí)行讀寫器的命令，控制讀寫數(shù)據(jù)，負責數(shù)據(jù)安全等功能。高校教師碩士學位論文9收 發(fā) 模 塊天 線天 線控 制 模 塊接 口 模 塊計 算 機存 儲 器控 制 模 塊收 發(fā) 模 塊數(shù) 據(jù)能 量射 頻 卡讀 寫 器圖 RFID 系統(tǒng)典型結構 為RFID系統(tǒng)的工作過程，這是一個無源系統(tǒng)，即射頻卡內不含電池，射頻卡工作的能量是由射頻讀寫模塊發(fā)出的射頻脈沖提供 [1113]。 數(shù)據(jù)解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出命令和數(shù)據(jù)并送到邏輯控制○ 3部分。讀寫器發(fā)送的射頻信號除提供能量外，通常還提供時鐘信號，使數(shù)據(jù)同步，從而簡化了系統(tǒng)的設計。首讀率是指當對一組數(shù)據(jù)進行一次性識別時，其中一次性識別成功的概率，常用FRR表示。而條碼、磁性條識別技術，IC卡識別技術、射頻識別技術等識別技術現(xiàn)在使用的較為廣泛，它們都有各自的優(yōu)缺點及適于應用的場合 [5][7][9] 。磁性條的成本也很低，但是容易被偽造，數(shù)據(jù)量小。表 幾種識別技術的區(qū)別高校教師碩士學位論文11信息載體信息量讀/寫性讀取方式保密性智能化環(huán)境適應能力壽命ISO標準成本條碼紙、塑料薄膜、金屬表面小 只讀CCD 或激光束掃描差 無 差 較短有 最低磁性條磁性物質 一般讀/寫電磁轉換一般無 較差短 有 低IC卡E2PROM 大 讀/寫電擦除 較好有 好 長 有，不全較高RFID 卡E2PROM 大 讀/寫無線通訊最好有 很好最長有 較高 門禁系統(tǒng)結構原理在工廠、學校、辦公室、商店、金融系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、住宅、賓館等多種場合，為了學習、工作、生活的安全和有效，需要進行封閉式管理。非接觸式門禁系統(tǒng)采用個人識別卡方式工作。門禁系統(tǒng)的另一優(yōu)點是可以隨時增加和刪除某一卡，而不必擔心某一卡丟失后造成什么損失 [8]。（4） 人員可以向控制中心申請權限，中心批準后可以使用該卡開指定的門。門禁控制器是門禁系統(tǒng)的核心。讀寫器是使用者與系統(tǒng)的一個接口，它必須具有如下的基本功能。電控鎖是門禁系統(tǒng)的執(zhí)行機構，有陽鎖、陰鎖之分。(1) 通訊安全和保密通信安全與保密是為了達到 IC 卡與讀寫設備進行信息交換過程中的有效與合法。有效性是指 IC 卡和讀寫設備能區(qū)別當前有效合法的信息與前次有效的信息；對于有效性的保證一般是在通信信息內添加加密后的時間段信息。在決定 1C 卡安全性的問題上，采用什么樣的加解密方法，什么樣的認證方法及它們的安全強度如何等等，對于 IC 卡的安全性有著至關重要的影響。完成加密和解密的算法稱為密碼體制?；谏漕l識別技術的門禁系統(tǒng)的設計14接受者密碼分析者解密譯碼器加密編碼器信源密鑰源明文加密密鑰秘密信道公開信道密文明文解密密鑰圖 密碼通信的一般模型(2) 對稱密鑰密碼體制對稱密鑰密碼體制中加密密鑰和解密密鑰相同。加密算法與解密算法相同，分組的明文信息根據(jù)密鑰執(zhí)行一系列可逆的混亂與擴散算法。加密密鑰公開，由加密密鑰和密文不能容易地求得解密密鑰和明文。它己被 ISO/TC97 的數(shù)據(jù)加密技術分委員會 SC20 推薦為公開密鑰數(shù)據(jù)加密標準。高校教師碩士學位論文15實現(xiàn) RSA 算法需要解決兩個問題：如何確定 n,e ,d 三個密鑰。②產(chǎn)生加密密鑰 ee 是與 Ф(n)互素的任意數(shù)，因此可以先選擇一數(shù) e，檢查它是否與 Ф(n)互素，若不是，則執(zhí)行 e=e+1，再次檢查，直到與 Ф(n)互素為止。第一次運算:40=28*1+12，即 40/28 的余數(shù)為 12。上述算法即使對很大的整數(shù)，也只需要不多的步驟即可得到結果。Q(i)=X(i1)/X(i)的商(取整數(shù))。下面以 p=5,q=17,e=19 為例，對密鑰。q(i)=X(i1)/X(i)，則 q(1)=3。所以， 解密密鑰 d 的值為 27。 EDI(Electronic Data Interchange)標準使用的 RSA算法規(guī)定 n 的長度為 512 到 1024 比特之間，必須是 128 的倍數(shù)。(3) p11 和 q11 分別含有素因子 p2 和 q2。高校教師碩士學位論文17 第 3 章 基于射頻識別的門禁系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體方案設計 系統(tǒng)設計的基本要求門禁系統(tǒng)作為一項先進的高科技技術防范手段，在早期，一些經(jīng)濟發(fā)達的國家就已經(jīng)應用于科研、工業(yè)、博物館、酒館、商場、醫(yī)療監(jiān)護、銀行、監(jiān)獄等，特別是由于系統(tǒng)本身具有隱蔽性、及時性等特點，在許多領域的應用越來越廣泛。如果片面追求系統(tǒng)的超前 性，勢必造成投資過大，離實際需求偏離太遠。門禁系統(tǒng)中的所有設備及配件在性能安全可靠運轉的同時，還應符合中國 或國際有關的安全標準，并可在非理想環(huán)境下有效工作。系統(tǒng)的運轉真正做到 開電即可工作的程度。（2） 系統(tǒng)運行后的管理和維護費用少。4 位 開 關量 輸 入處 理 器A T 8 9 C 5 24 位 開 關量 輸 出E2P R O MM F R C 5 0 0天 線液 晶 屏R S 4 8 5總 線 接 口看 門 狗時 鐘P C 機進 / 出 門 磁 信 號兩 路 按 鈕 信 號鎖 觸 點鎖 驅 動 通 訊 燈工 作 燈圖 系統(tǒng)的總體結構圖 系統(tǒng)硬件模塊分析 射頻讀寫模塊分析從圖 可以看出系統(tǒng)最重要的部分是基于 MF RC500 的射頻讀寫模塊的設計。表 MF RC500 的電流消耗電流參數(shù) 工作狀態(tài) 典型電流 最大電流空閑模式 6mA 9mA等待模式 3mA 5mA軟關機模式 800uA 1000uAIDVDD數(shù)字工作電流硬關機模式 1uA 10uA空閑模式（接收器開放） 25m 40m空閑模式（接收器關閉） 8mA 12mA等待模式 9mA軟關機模式 1uA 10uAIAVDD模擬工作電流硬關機模式 1uA 10uAITVDD 發(fā)射器電流 發(fā)送連續(xù)波 150mA（3）在軟件設計時，必須嚴格遵循 MFRC500 的特有工作時序，并且要注意 MF RC500 的復位操作（見表 ） ，否則系統(tǒng)將不工作，甚至損壞芯片。本系統(tǒng)采用看門狗芯片 x5045。MCU采用 89C52，是因為89C52 開發(fā)簡單，運行穩(wěn)定。時鐘芯片采用DS1302。與上位機的通信采用RS485 通信模式，通信距離可以達到 1000m左右。該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念， MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測( 奇偶amp。 RC500 與MCU的接口原理。操作距離主要取決于天線尺寸以及天線匹配電路的正確值。為了符合內部電磁兼容性規(guī)則，、五次及五次以上的高階諧波必須適當?shù)囊种埂? 接收電路基于射頻識別技術的門禁系統(tǒng)的設計22MF RC500 的內部接收單元采用新的接收概念，它使用卡回應的子載波引導調制生成的雙邊帶寬。此外，應當在天線線圈和電壓驅動之間使用