【文章內(nèi)容簡介】 門禁系統(tǒng)又稱門禁出入口保安自動(dòng)化管理系統(tǒng)。智能建筑通過對(duì)四個(gè)基本元素，即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理進(jìn)行最優(yōu)化的考慮，從而為用戶提供一個(gè)高效和高經(jīng)濟(jì)效益的工作環(huán)境。它在功能上實(shí)現(xiàn)了通訊自動(dòng)化（CA）、辦公自動(dòng)化（OA）和樓宇自動(dòng)化（BA），通過綜合配置在建筑內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以綜合布線系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為橋梁，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合管理。門禁系統(tǒng)屬于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，具有對(duì)門戶出入控制，保安防盜，報(bào)警等多種功能，它主要方便內(nèi)部員工或住戶出入，杜絕外來人員隨意出入，既方便了內(nèi)部管理，又增強(qiáng)了內(nèi)部的保安。一套現(xiàn)代化的，功能齊全的門禁系統(tǒng)，不止是作為進(jìn)出口管理使用，而且還有助于內(nèi)部的有序管理。它將時(shí)刻自動(dòng)記錄人員的出入情況，限制內(nèi)部人員的出入?yún)^(qū)域，出入時(shí)間，禮貌的拒絕不速之客。同時(shí)也將有效地保護(hù)財(cái)產(chǎn)不受非法侵犯 [2]。智能建筑的推廣，建立連網(wǎng)門禁系統(tǒng)也成為一種趨勢(shì)，門禁系統(tǒng)將有更廣闊的發(fā)展空間。隨著人們對(duì)門禁系統(tǒng)各方面要求的不斷提高，門禁系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。人們對(duì)門禁系統(tǒng)的應(yīng)用已不局限在單一的出入口控制，而且還要求它不僅可應(yīng)用于智能大廈或智能社區(qū)的門禁控制、考勤管理、安防報(bào)警、停車場(chǎng)控制、電梯控制、樓宇自控等，還可與其它系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等多種控制功能。而基于射頻識(shí)別的門禁系統(tǒng)針對(duì)集成應(yīng)用給出了可行方案，具有重要的意義 [2]。 國內(nèi)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(chǎng)正逐漸進(jìn)入成熟階段，其產(chǎn)業(yè)的分工已進(jìn)人細(xì)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。生產(chǎn)控制器的公司就只研究生產(chǎn)控制器和軟件。如美國的Northern Computer公司、CSI公司。隨著其產(chǎn)業(yè)化的形成，也由于大公司之間的相互競(jìng)爭，使其利潤率不斷下降，產(chǎn)品價(jià)格不斷大幅降低，現(xiàn)已進(jìn)入1000美元一套系統(tǒng)的可廣泛運(yùn)用的市場(chǎng)。正是由于市場(chǎng)的不斷成熟，人們?cè)谄毡榻邮荛T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(shè)備，自己進(jìn)行系統(tǒng)集成就可為用戶方便安裝成整套系統(tǒng)。從目前全球門禁系統(tǒng)的前端輸入設(shè)備的水平及發(fā)展方向來看，雖然磁卡和接觸式IC卡讀卡器在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用中還有一部分市場(chǎng)，但從發(fā)展趨勢(shì)上看，除賓館鎖外，磁卡和接觸式IC卡讀卡器已在逐步地退出門禁系統(tǒng)市場(chǎng) [23]。國外對(duì) IC 卡的研究和應(yīng)用較早，特別是在美國和歐洲，但在非接觸式 IC卡方面的研究使用也只是近幾年的事。非接觸式 IC 卡和讀卡器的關(guān)鍵技術(shù)掌握在歐美國家和部分亞洲國家中，但真正形成大批量生產(chǎn)的廠家只有美國；德國、英國次之；日本、臺(tái)灣、新加坡處于同一檔次。當(dāng)今世界上非接觸式 IC 卡主流產(chǎn)品是 Philips 公司的 Mifare 技術(shù)，己經(jīng)被制定為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC14443 Type A 標(biāo)準(zhǔn)。歐洲一些 IC 卡及讀卡器制造商大都以 Mifare 技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展自己的IC 卡事業(yè) [3]。Philips 公司的 MifareIC 卡系列產(chǎn)品有三類： MifareStandard, Mifarelight, MifarePLUS（第一代）和 MifarePRO（第二代）。最近又推出一種新型 Mifare卡,即 Mifareultralight 非接觸式 IC 卡，簡稱為 MFOICUl,有 512 字節(jié) E2PROM,專用于車票系統(tǒng),MFO 卡最大的特點(diǎn)是交易時(shí)間只有 ，比其它 Mifare 卡要短得多。此外還有一種 MF3ICD40 卡，密碼機(jī)制更加完善，不是按塊而是按文件操作，波特率高達(dá) 106424Kbps，有防撕扯功能、值文件功能等 28 種用途 [4]。ATMEL 公司生產(chǎn)的 Temic 非接觸式 IC 卡 E5550 芯片是一種 ID（身份）識(shí)別芯片，容量為 264 位 E2PROM，采用 125KHz 射頻頻率，是一種低頻卡，操作距離 5l0cm，相應(yīng)的讀寫基站芯片為 U2270B，此芯片在動(dòng)物身份識(shí)別等方面得到了應(yīng)用。瑞士 EM 公司的 H4001 非接觸 IC 卡，容量為 64 位 E2PROM，采用 125KHz 射頻頻率，也是低頻卡，其讀寫芯片為 P4095。 Legic 射頻卡容量為 256 字節(jié) E2PROM，讀寫距離 10cm 并己用于公交系統(tǒng)。美國德州儀器公司（TI 公司）的 ID 卡是一種低頻只讀卡，內(nèi)部有 8 字節(jié)（64 位）ID 號(hào)碼，已經(jīng)應(yīng)用在門禁考勤系統(tǒng) [20]。2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀（1）目前，國內(nèi)對(duì)門禁系統(tǒng)的研究已經(jīng)從認(rèn)識(shí)教育和試用階段進(jìn)入到了研發(fā)階段，但在門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中還有以下幾點(diǎn)不足之處，主要表現(xiàn)為：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；○ 1對(duì)國外已有的系統(tǒng)進(jìn)行仿造；○ 2產(chǎn)品單一、開發(fā)成本較高?！?3（2）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，第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(duì)其進(jìn)行二次軟硬件的設(shè)計(jì)。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(chǎng)所，但是價(jià)格很高。第二種方法是，除了核心芯片購?fù)?，其余部件都是?duì)國外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品進(jìn)行研制。這種方式比較靈活，可以隨時(shí)根據(jù)客戶的要求增加門禁系統(tǒng)的功能，且價(jià)格也比較便宜。而在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，國內(nèi)的門禁系統(tǒng)大多以控制器為核心構(gòu)建的，門控器大多由國外企業(yè)研制。即門禁控制器先接收讀卡器的信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)來決定是否開門。由于其門禁系統(tǒng)的部件大多采用國外先進(jìn)集成電子工藝和原材料制造，○ 1因此其性能很高。但是高性能的代價(jià)是高價(jià)格。這些門禁系統(tǒng)大多可以同時(shí)控制多個(gè)門，可以實(shí)現(xiàn)多門監(jiān)控機(jī)制；對(duì)于○ 2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(xiàng)非接觸式IC項(xiàng)目；可管理的人員多，像美國西屋門禁最多可同時(shí)管理一個(gè)10萬人的企業(yè)。由于系統(tǒng)是由幾個(gè)獨(dú)立部件有機(jī)集成而成的，因此，要想對(duì)系統(tǒng)升級(jí)，○ 3只要對(duì)系統(tǒng)的某一部分升級(jí)，再組裝即可。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(jià)格較高，○ 4這是國內(nèi)很多中小型廠家不能接受。但是國內(nèi)大部分廠家對(duì)門禁系統(tǒng)的研制處于感知階段，并沒有從理論上對(duì)門禁系統(tǒng)進(jìn)行研究。比如在天線設(shè)計(jì)時(shí)要么就是參照國外公司的資料，要么就是通過實(shí)驗(yàn)對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行修改 [24]，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(duì)關(guān)于門禁系統(tǒng)的理論進(jìn)行研究非常需要。 本文主要研究內(nèi)容本文針對(duì)國內(nèi)目前的市場(chǎng)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(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)基礎(chǔ)上，研究射頻天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 RS485 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，給出制作射頻識(shí)別 IC 讀卡器的電路原理圖和 PCB 板，設(shè)計(jì)主程序流程圖和模塊子程序，并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制工作。本文的結(jié)構(gòu)安排：第 1 章 緒論。論述課題背景及其意義，探討目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和采用的技術(shù)；第 2 章 門禁系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。主要論述射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和門禁系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)以及有關(guān) IC 卡的密碼技術(shù)；第 3 章 基于射頻識(shí)別的門禁系統(tǒng)總體方案與硬件模塊設(shè)計(jì)，主要論述射頻讀寫模塊、天線模塊、通訊模塊、看門狗、液晶、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)；第 4 章 基于射頻識(shí)別的門禁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。給出了總體程序流程圖和模塊化設(shè)計(jì)，并作了子程序的編譯，在附錄給出具體的程序；總結(jié)與展望。客觀的評(píng)價(jià)了本論文所作的工作和設(shè)計(jì)方案，以及有待改進(jìn)的地方。第 2 章 門禁系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ) 射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)是從八十年代逐漸興起的一項(xiàng)識(shí)別技術(shù)。它是利用電磁感應(yīng)、無線電波或微波進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)注意的是當(dāng)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。工作原理也不盡相同，有的是利用近場(chǎng)的電磁感應(yīng)（所以有人把射頻卡稱作感應(yīng)卡），有的是利用電磁波發(fā)射。與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可完成識(shí)別，因此它可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。另外不象IC卡那樣有電觸點(diǎn)暴露在外，射頻卡是將芯片完全封裝在內(nèi)的，因此可以使用在比較惡劣的環(huán)境?？傊琑FID系統(tǒng)可在更廣泛的場(chǎng)合中應(yīng)用 [1][2] 。 射頻識(shí)別技術(shù)原理通常情況下，RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和 RFID 卡兩部分組成的，見圖 。 其中，讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端 ,用來實(shí)現(xiàn)對(duì) RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而 RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線組成，其中 RFID 卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。讀寫器計(jì)算機(jī)射頻前端邏輯控制存儲(chǔ)器應(yīng)答器圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理，所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)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。可見，RFID 卡與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無源的 RFID 卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了 RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式。目前 RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且有國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO10536 、ISO1444ISO1569ISO18000 等幾種。這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外，還著重對(duì)工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范。RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了 RFID 天線的選擇，下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的 RFID 天線及其性能。 RFID 天線RFID 天線主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型 3 種基本形式的天線。其中，小于 1m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的 RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，它們主要工作在中低頻段。而 1m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)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。這幾種類型天線的工作原理是不相同的。 線圈天線當(dāng) RFID 天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。由 RFID 天線形成的諧振回路見圖 ，它包括 RFID 天線的線圈電感 L、寄生電容 Cp 和并聯(lián)電容 C2，其諧振頻率為：f =1/2π ，(式中 C 為 Cp 和 C2 的并????聯(lián)等效電容)。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的 ID21 型非接觸式 IC 卡的外觀為一小型的塑料卡( mm 0. 76 mm)，天線線圈諧振工作頻率通常為 13. 56 MHz。目前已研發(fā)出線圈天線面積最小為 0. 4mm mm 的短距離 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)。某些應(yīng)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(dòng)物識(shí)別的 RFID。線圈外形即面積的減小，RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量 M 就明顯不能滿足實(shí)際使用，通常在 RFID 的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率 μ 的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題。LRU2C2RLUiCp圖 應(yīng)答器等效電路圖微帶貼片天線微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的，見圖 。 根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀。通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長，假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化，僅沿約為半波長(λ/ 2) 的導(dǎo)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(dǎo)體開路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的，輻射方向基本確定。因此，一般適用于通訊方向變化不大的 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中。為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題，人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線，如設(shè)計(jì)了一種工作在 24 GHz 的單縫隙天線和 5. 9 GHz 的雙縫隙天線，其輻射波為線極化波；如開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線，它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼。 金屬地板介質(zhì)基片貼片圖 微帶貼片天線偶極子天線由于 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離耦合，需要用的是偶極子天線(又稱對(duì)稱振子天線) 。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(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)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(chǎng)。利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)方程：Eθ = = ∫???????????∫?????60???????? sin??cos(????cos??)????式中 Iz 為沿振子臂分布的電流，α 為相位常數(shù)， r 是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，θ 為振子軸到 r 的夾角， l 為單個(gè)振子臂的長度。 同樣，也可以得到天線的輸入圖 偶極子天線(a)偶極子天線；(b)折合振子天線；(c)變形偶極子天線阻抗、輸入回波損耗 S11 、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù)。當(dāng)單個(gè)振子臂的長度