【文章內(nèi)容簡介】 電鎖將打開， 否則電鎖不會開啟。 3）發(fā)生火災(zāi)時，各遠端智能控制器能同時全局聯(lián)動， 打開所有的門以緊急疏散人群并發(fā)出報警信號，控制器對于非法闖入的事件 也能實時報警并 進行 處理。 4） 出入 人員可以向控制中心申請權(quán)限， 控制中心核對信息 后 ，該人員方可使用該卡進入 。 5）控制 中心通過管理軟件對所有遠端控制器進 行實時監(jiān)控，實時匯總數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)存儲起來 。 2． 門禁系統(tǒng)的典型構(gòu)成 門禁系統(tǒng)由門禁控制單元、通信管理器、管理主機、管理軟件等組成。其中門禁控制單元是由門禁控制器、讀卡器、電控鎖、門磁傳感器、開門開關(guān)、識別卡構(gòu)成（如圖 所示）。門禁控制器是門禁系統(tǒng)的核心。如果將讀卡器比做系統(tǒng)的眼睛，將電控鎖比作系統(tǒng)的手，那么門禁控制器就是系統(tǒng)的大腦，由它來決定 該卡 是否為本系統(tǒng) 已 注冊的有效卡，該卡是否擁有所限定的 開門權(quán)限。從而控制電控鎖是否打開。系統(tǒng)的控制主機可以 是 PC 機，系統(tǒng)組 網(wǎng)情況下的拓撲結(jié)構(gòu)一般采用總線 型拓撲 結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是節(jié)點接入方便、輕載時延時小、 成本低、 可靠性高等。門禁控制器是是整個系統(tǒng)的核心控制部分，對門鎖的一切操作均由它來控制完 成，上位機發(fā)下的控制命令、門鎖的狀態(tài)和記錄信息都經(jīng)由門控器來傳送 。 基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 5 圖 讀寫器 是 用戶 與系統(tǒng)的一個接口，它必須具有如下的基本功能 ： １）非接觸式 IC卡進入 或者退出射頻區(qū)域 的識別與控制 。 ２）通過射頻方式向非接觸式 IC卡提供穩(wěn)定的電源和時鐘信號 。 ３）實現(xiàn)與 IC卡的 數(shù)據(jù)交換，并提供相應(yīng)控制信號 。 ４）對應(yīng)加密數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)提供相應(yīng)加密和 解密 處理 機制 。 ５）提供相應(yīng)外部控制信息及與其他設(shè)備的信息交換 。 因此，讀卡器的性能非常重要。在本論文 中的射頻讀寫芯片采用 Philip公司的 MF RC500，該芯片是 Philip公司的最新產(chǎn)品，比以往的射頻識別芯片具有更好的性能。 （三） 國內(nèi)外研究現(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)的分工已進入 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 。生產(chǎn)控制器的公司就只研究生產(chǎn)控制器及其相應(yīng)的 軟件。 再眾多的公 司中， 美國西屋門禁系統(tǒng)是較突出的代表，西屋門禁以其強大的系統(tǒng)功能以及無與倫比的穩(wěn)定性享譽全球。在全世界，西屋有 300多個代理商 以及 800多個支持點，分布在 76個國家。西屋的客戶來自于世界各地的許多領(lǐng)域，包括工商企業(yè)、電信公司、教育部門、政府機構(gòu)、娛樂事業(yè)及軍事保衛(wèi)部門等。 管理主機 通信管理器 讀卡器 門磁 電控鎖 開門開關(guān) 門禁控制器 基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 6 2． 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在亞洲和中國，門禁系統(tǒng)分別處于成長期和初始階段。大眾對門禁系統(tǒng)的了解還只停留在認(rèn)識教育和試用階段。這在門禁系統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中主要體現(xiàn)為以下幾點： 1）采用國外已有的集成模塊，像讀寫器、門禁控制器、天線模板等。 2）對 國外已有的系統(tǒng)進行仿造。 3）產(chǎn)品單一、開發(fā)成本較高；在技術(shù)方面，中國目前也有很多廠家，仿制國外優(yōu)秀的 門禁系統(tǒng)，主要的做法有兩種： 一種是購買國外的門禁系統(tǒng)配件，如讀寫器、門控器等，再對其進行二次軟硬件的設(shè)計。這種門禁系統(tǒng)的性能很好，能滿足許多安全要求很高的場所，但是價格很高。 第二種 法是，除了核心芯片購 買 ，其余部件都是對國外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品進行研制。這種方式比較靈活，可以隨時根據(jù)客戶的要求增加門禁系統(tǒng)的 功能，且價格也比較便宜。而在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 方面， 在國內(nèi)，大多以控制器為核心構(gòu)建，門控器大多由國外企業(yè)研制 [4]。 門禁控 制器先接收讀卡器的信號，在根據(jù)信號來決定是否開門。這些門禁系統(tǒng)大致有以下幾個特點： 1） 高性能 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，因此其性能很高， 是高性能的代價是高價格。 ２）強大的功能 這些門禁系統(tǒng)大多可以同時控制多個門，可以實現(xiàn)多門監(jiān)控機制 。 對于很多企業(yè)，這些門禁系統(tǒng)同其他系統(tǒng)，如考勤系統(tǒng)集成，被做成企業(yè)“一卡通”系統(tǒng)，即員工可以憑一張卡來使用企業(yè)的多項非接觸式 IC項目；可管理的人員多，像美國西屋門禁最多可同時管理 一 個 10萬人的企業(yè)。 ３）可升級性強 由于系統(tǒng)的是由幾個獨立部 件有機集成而成的，因此，要想對系統(tǒng)升級，這要對系統(tǒng)的某一部分升級，再組裝即可。 ４）成本高 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，這是國內(nèi)很多中小型廠家不能接受的。但是國內(nèi)大部分廠家對門禁系統(tǒng)的研制，處于感知階段，并沒有從理論上對門禁系統(tǒng)進行研究。比如在天線設(shè)計時要么就是參照國外公司的資料，要么就是通過實驗對天線的參數(shù)進行修改，從而得到較好的效果，很少把這部分的研究上升到理論的高度。因此對關(guān)于門禁系統(tǒng)的理論進行研究非常需要。 （四） 課題研究的目的與內(nèi)容 本 論文 主要是面向中小型 場合應(yīng)用 。根據(jù)要求及現(xiàn)場的實地情況， 設(shè)計了一套以基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 7 STC12C5A32AD為核心，基于 MF RC500讀寫器的門禁系統(tǒng)設(shè)計方案。 在產(chǎn)品的選用上則依據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能及價格為第一原則。在系統(tǒng)設(shè)計上采用統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范及通信格式，將所有的 硬件 有機地集成一起，其系統(tǒng)與系統(tǒng)之間可相互通信，數(shù)據(jù)共享，使其構(gòu)成一個高度自動化的保安管理系統(tǒng)。同時要考慮到所采用的系統(tǒng)設(shè)備不但在日后運行時起到對外防范作用，并且可長時間可靠運行。 本門禁系統(tǒng)的設(shè)計初衷是面向 校園的中小型環(huán)境 。而且只要對單門進行控制，方便以后開發(fā)成“一卡通”?；谝陨系目?慮，本系統(tǒng)主要以價格低、性能穩(wěn)定為出發(fā)點進行方案設(shè)計。在此基礎(chǔ)上對門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如射頻識別讀寫器性能優(yōu)化、系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等進行研究。這些技術(shù)對以后的射頻識別技術(shù)的應(yīng)用以及門禁系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考意義 [5]。 基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8 二、 門禁系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與研究 （一） 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 1． 系統(tǒng)設(shè)計的原則 門禁系統(tǒng)作為一項先進的高科技技術(shù)防范手段，在早期，一些經(jīng)濟發(fā)達的國家就已經(jīng)應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣 泛。門禁系統(tǒng)既要處于技術(shù) 的尖端，具有智能性、高可靠性、實時性，又要能符合實際需要。因此，本論文的設(shè)計遵循如下原則： （ 1） 系統(tǒng)的實用性 門禁系統(tǒng)的內(nèi)容應(yīng)符合實際要求，不能華而不實。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。因此， 系統(tǒng)的實用性是首先應(yīng)遵循的 原則。 （ 2） 系統(tǒng)的實時性 如果門禁系統(tǒng)中任何一個關(guān)鍵 部件 出現(xiàn)錯誤或停機將直接影響到整個系統(tǒng)的運作情況，因此，門禁系統(tǒng)各子系統(tǒng)應(yīng)盡可能屬于 Nonstop（不 停機） 狀態(tài) ，以保證 系統(tǒng) 正常運行。 （ 3） 系統(tǒng)的完整性 一個完整的門禁系統(tǒng)是建筑 整體形象的重要標(biāo)志。功能完善 、 設(shè)備齊全 、 管理方便是設(shè)計應(yīng)考慮的一個因素。 （ 4） 系統(tǒng)安全性 門禁系統(tǒng)中的所有設(shè)備及配件在性能安全可靠運轉(zhuǎn)的同時，還應(yīng)符合中國或國際有關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，并可在非理想環(huán)境下有效工作。另外，系統(tǒng)安全性還應(yīng)體現(xiàn)在信息傳輸及使用過程中，不易被劫和竊取等方面。 （ 5） 系統(tǒng)可擴展性 門禁系統(tǒng)的技術(shù)不斷向前發(fā)展，用戶需求也在發(fā)生變化，因此門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實施應(yīng)考慮到將來可擴展的實際需要，即：可靈活增減或更新各子系統(tǒng)，滿足不同時期的需求，保持長時間領(lǐng)先地位，成為智能建筑的典范。 （ 6） 系統(tǒng)易維護性 門禁系統(tǒng)在運行過程中的維護應(yīng)盡量做到簡單易行。系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)真正做到開電即可工作，插上就能運行的程度。而且維護過程中無需使用過多專用的維護工具。 門禁系統(tǒng)在設(shè)計時結(jié)合目前國內(nèi)外的實際應(yīng)用水平，使系統(tǒng)建成后能立即得到充分基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 9 的利用。采用合理的投資而得到最佳的效果。這體現(xiàn)在三個方面： 1） 在滿足功能性和可靠性的前提下，初期的總投資要盡可能少。 2） 系統(tǒng)運行后的管理和維護費用少。 3） 系統(tǒng)在未來進行更改或搬遷以及改造升級時需要少量資金便可達成。 2． 系統(tǒng)方案 本文所介紹的基于 MF RC500射頻識別系統(tǒng)門禁系統(tǒng)是以射頻 識別讀寫器為 核心，再增加門鎖繼電器以及其他一些輔助器件而組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理是先由微處理器控制射頻識別讀寫器讀取非接觸式 IC卡的信號，接著，單片機根據(jù)所得數(shù)據(jù)輸出四個開關(guān)量信號（門閥繼電器有兩個，分別控制進出），經(jīng)放大后分別用于控制門鎖繼電器和讀取門磁信號，并且整系統(tǒng)與上位 PC機之間進行通訊，獲得指令以及傳輸系統(tǒng)狀態(tài)等 ，最后，對系統(tǒng)的輔助設(shè)備，如液晶屏 等進行操作。根據(jù)方案的選擇，下面將從硬件和軟件兩部份對該系統(tǒng)進行分析與設(shè)計 [6]。 （二） 系統(tǒng)硬件設(shè)計與分析 1． 射頻讀卡器微處理器模塊的設(shè)計 本系統(tǒng)的 射頻卡讀卡器主控模塊由單片機及其外圍電路組成。本系統(tǒng)選取STC12C5A32AD 單片機作為讀卡器的主控模塊。 （ 1） STC12C5A32D 單片機 主要性能 ： 1） 高速： 1個時鐘 / 機器周期，增強型 8051內(nèi)核，速度比普通 8051快 8～ 12倍 。 2） 寬電壓： ～ ， ～ 。 3） 增加第二復(fù)位功能腳 。 4） 增加外部掉電檢測電路 ,可在掉電時 ,及時將數(shù)據(jù)保存進 EEPROM,正常工作時無需操作 EEPROM。 5） 低功耗設(shè)計：空閑模式 。 6） 低功耗設(shè)計：掉電模式，可支持下降沿 /上升沿和遠程喚醒 。 7） 工作頻率： 0～ 35MHz，相當(dāng)于普通 8051： 0～ 420MHz。 8） 時鐘：外部晶體或內(nèi)部 RC振蕩器可選，在 ISP下載編程用戶程序時設(shè)置 。 9） 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi) Flash程序存儲器，擦寫次數(shù) 10萬次以上 。 10） 1280 字節(jié)片內(nèi) RAM數(shù)據(jù)存儲器 。 11） 芯片內(nèi) EEPROM功能 ,擦寫次數(shù) 10萬次以上 。 12） ISP / IAP，在系統(tǒng)可編程 / 在應(yīng)用可編程 ,無需編程器 /仿真器 。 13） 8通道 ,10位高速 ADC，速度可達 25萬次 /秒 ,2路 PWM還可當(dāng) 2路 D/A使用 。 14） 2通道捕獲 /比較單元也可用來再實現(xiàn) 2個定時器或 2個外部中斷（支持上升沿 / 下基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 10 降沿中斷） 。 15） 4個 16位定時器，兼容普通 8051的定時器 T0/T1,2路 PCA實現(xiàn) 2個定時器 。 16） 可編程時鐘輸出功能， T0在 ， T1在 ,BRT在 鐘 。 17） 高速 SPI串行通信端口 。 18） 全雙工異步串行口 (UART),兼容普通 8051 的串口 。 19） 先進的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通 8051 指令集，有硬件乘法 / 除法指令 。 （ 2） STC12C5A32D 接口電路 ： 圖 STC接口電路 2． 射頻讀卡器讀寫模塊設(shè)計 讀寫模塊中的關(guān)鍵部件 MFRC500 是 Philips 公司生產(chǎn)的用于讀寫 Mifare1 非接觸式IC 卡的專用讀寫芯片。系統(tǒng)單片機對讀寫模塊的操作就是對 MFRC500 進行控制，通過MFRC500 實現(xiàn)對 Mifare1 卡操作。 （ 1） MFRC500 功能概述 基于 RFID 門禁控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 11 MFRC500是應(yīng)用于 IC系列中的一員該讀卡IC系列利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議 MF RC500支持 ISO14443A所有的層內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線可達 100mm接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路用于 ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號數(shù)字部分處理 ISO14443A幀和錯誤檢測奇偶 CRC 此外它還支持快速 CRYPTO1加密算法用于驗證 MIFARE系列產(chǎn)品方便的并行接 口可直接連接到任何 8位微處理器這樣給讀卡器 /終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。 （ 2） MFRC500 特性 1）高集成度模擬電路用于卡應(yīng)答的解 調(diào)和解碼 。 2） 緩沖輸出驅(qū)動器使用最少數(shù)目的外部元件連接 到天線 。 3） 近距離操作 (可達 100mm)。 4） 支持 MIFARE雙接口卡 IC和 ISO14443A14部分 。 5） 加密并保護內(nèi)部非易失性密匙存儲器 。 6） 并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ線 。 7） 靈活的中斷處理 。 8） 自動檢測微處理器并行接口類型 。 9） 方便的 64 字節(jié)發(fā)送和接收 FIFO緩沖區(qū) 。 10） 帶低功耗的硬件復(fù)位 。 11） 軟件實現(xiàn)掉電模式 。 12） 可編程定時器 。 13） 唯一的序列號 。 14） 用戶可編程的啟動配置 。 15） 位和字節(jié)定位幀 。 16） 數(shù)字模擬和發(fā)送器部分各自獨立的電源輸入腳 。 17） 內(nèi)部振蕩器緩沖連接 。 18） 時鐘頻率濾波 。 19） 短距離應(yīng)用中發(fā)送器天線驅(qū)動器為