基于RFID技術的門禁系統研究

劉 勇，陳祈邦，巫輝東

（北京理工大學 珠海學院，廣東 珠海 519088）

隨著無線射頻技術的快速發展，無線射頻技術因其具有獨特的優越性在日常的生活中作為安全防范領域中得到了飛速的發展和較廣泛的應用[1]。射頻無線技術作為安防領域中的門禁系統之所以能在眾多安防產品中脫穎而出，根本原因在于它與傳統的安防產品相比有較大的改變，將被動的安防方式變為了主動控制方式。同時該門禁系統支持密碼校驗和認證，對ID卡的識別過程無須人為干預，同時它既支持對ID卡的讀工作模式也支持卡的讀寫工作模式；這種ID卡即使在惡劣環境下的環境下也可以正常工作在，識別速度快數據容量大，ID卡標簽數據較為唯一，如同身份證般，卡在出廠時就已經制作號，無須再修改，隱密性高，具有更好的安全性。

1 射頻識別技術原理及主要特點

無線射頻識別技術[2]是從二十世紀90年代興起的一項非接觸式自動識別技術。它的基本識別原理是利用射頻無線方式進行非接觸雙向通信，從而達到自動識別目標對象并獲取相關數據信息，同時它具有抗干擾強、適應環境能力強、精度高、操作快捷等許多優點。

1.1 工作原理

本系統中的非接觸式門禁讀卡基站是以射頻識別技術為核心，這種基站是一個體積小、重量輕、操作距離最大可達10 cm的ID卡射頻基站[3]。當門禁讀卡基站工作時，它與專用的射頻基站（MFRC-522）相連的線圈天線不斷地四周發送一組固定頻率的電磁波（13.56 M），當有非接觸式ID卡靠近時，此時激發的頻率可以與卡片內存儲一組固定的LC串聯諧振電路產生共振，當該共振頻率與讀寫基站發射出來頻率相同時，由共振原理得知，通過共振從而激發電荷產生電荷量并將已經存儲好的數據發送出去，并通過射頻基站解碼從而獲得卡號。而ID卡的原理是當接收到有由射頻基站發出的頻率后，卡內置的電容處于激發充電狀態從而產生了激發電荷，在該電容另一端，同時接有一個具有單向導電性的電子泵，該電子泵可以將激發電容內的電荷送到另一個未激發電容內進行電荷存儲。當存儲電容的電荷量達到2 V時，此存儲電容就可以作為卡上電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去。在該門禁系統中，當有ID卡進入射頻基站的天線發送頻率的感應區內時，門禁讀卡基站就會讀取非接觸式ID卡的卡號，并將所讀卡號通過串口發送給微處理器，并在顯示屏上顯示服務信息，同時進入密碼校驗服務程序，當密碼校驗正確后啟動門鎖，若密碼校驗錯誤超過三次以上，將給予警告處理。當門禁讀卡基站天線未檢測到ID卡時，微處理器將進入閑時模式，讀實時鐘電路的時鐘信息，并在顯示屏上顯示當前日期和時間。

典型的射頻識別系統主要由三部分構成：微控制器、ID卡和射頻基站，其工作原理如圖1所示。

圖1 非接觸式射頻讀卡的工作原理Fig.1 The work principle of contactless RF card

1.2 主要特點

和傳統的門禁系統相比，有以下智能化特點：

1）射頻識別卡片小且重量輕，攜帶方便，射頻基站可以在10 cm左右的范圍內可以實現對卡號的識別與讀寫；

2）ID卡片制作封閉，具有良好的防灰塵、防水、防污損性能；

3）在操作過程中不需要和門鎖接觸，減少了機械磨損；

4）射頻無線信號的穿透能力強，可生活中的穿障礙物，卡號數據量傳輸小，易于讀取；

5）ID卡較IC卡內序列號就像身份證一樣，具有惟一的，生產商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；

2 系統設計與實現

2.1 系統總體設計

整個門禁系統的設計方案是采用無線射頻識別技術（RFID），匙鑰是采用質量體積輕巧的ID卡作為門禁卡，控制單元采用價廉、穩定性高、技術比較成熟的單片機作為系統的控制核心，同時為了增高門禁的防盜系數，本系統在傳統的射頻門禁系統方案中增加了密碼校驗功能，進行讀卡密鑰雙校驗，另外增加顯示屏作為人機交互界面，同時增加語音提示功能和時鐘源作為閑時的時間顯示功能，本系統整個操作過程如同日常生活中銀行ATM操作流程一樣[4]。具體的操作設計流程如下：當匙鑰ID卡靠近控制器的讀寫器基站時，讀寫器基站可以準確地對其進行卡號識別并讀取后，并將其序列卡號通過串口數據發送給控制器上的微處理器，然后微處理器通過中斷服務程序調用數據庫信息與該卡號對應的用戶信息進行匹配，如果該卡號已進行過信息注冊為用戶后，則通過卡號驗證并通知微處理器校驗成功，然后語音提示正確并同時提示用戶進行密碼輸入鍵盤校驗，若密碼校驗成功則觸發門鎖控制啟動開門；若讀卡失敗或卡號信息與數據庫中注冊的信息不匹配并且刷卡次數超過三次，則語音會給予警告提示；若卡號校驗成功，但密碼校驗不通過且密碼輸入次數超過三次，則啟動報警裝置禁止通行并告知持卡人迅速離開；若在兩種密碼校驗都失敗后，則啟動超聲波檢測裝置來檢測當前操作的人是否還在警報狀態下仍在超聲波檢測范圍內；同時，在系統閑時會通過時鐘電路讀取當前時鐘信號顯示此時時間。

整個系統概要組成由ID卡、讀寫基站、鍵盤矩陣和微處理器及時鐘電路五部分組成。微處理器是系統的控制核心，而讀寫基站通過無線射頻技術與ID卡進行無線通信，從而完成卡號的讀取和數據的發送，當通過串口發送，微處理器收到通信數據后，與數據庫中已經注冊的卡號信息校驗，若成功后啟動鍵盤密碼校驗功能，通過雙重安全校驗都成功后，控制端作出相應的反應，從而實現整個工作流程。

2.2 硬件組成

門禁系統的讀卡器基站相當于一個智能的節點，它能獨立完成門狀態和鎖狀態的監控、判斷卡類型、實時監控刷卡動作、控制電磁門鎖和報警器等一系列的操作[5]。整個門禁系統的硬件部分主要包括負責控制和監控識別部分的微處理器、射頻基站電路、時鐘電路、報警裝置（聲光報警電路）、超聲波檢測電路、復位電路、按鍵矩陣電路。電路的硬件框圖如圖2所示。控制單元采用的是STC公司STC12C5A60S2單片機作為控制單元，這款單片機是常用的MCS-51系列單片機的增強版本，它具有良好的低功耗、抗干擾和性價比高的特點，同時在同樣的晶振的情況下，較普通的MCS-51主頻處理速度8到12倍，片上集成了1280字節的RAM，有8路10位高精度的AD采集通道，具有4個16位定時器，較普通8051增加了兩個定時器、兩路PWM功能、兩個標準的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下載，并且與傳統8051單片機兼容；超聲波模塊采取HC-SR04，該模塊性能穩定，測距精度高，檢測盲區較小，編程操作較為簡單；顯示屏采用LCD1602作為人機交互屏，該顯示屏低功耗、重量體積輕巧、顯示內容豐富；鍵盤采用8x8的矩陣按鍵；時鐘電路采用DS1302作為實時時鐘電路，它高性能、低功耗，同時自帶RAM作為實時時鐘，同時對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年自校正功能；射頻基站采用市場上用的較為普遍的MFRC-522，該射頻模塊集成了編碼解調和解調編碼的收發功能，對ID卡的數據讀取有效距離最遠可以10cm，同時集成了并行和串行端口的控制電路，可以自動檢測與之相連的外部微控制器的端口類型，具有64字節的FIFO緩沖寄存器，用來與微處理器之間的數據流的輸入和輸出。

整個門禁系統的硬件電路較為簡潔，輔助電路較少，每個模塊響應單元較為獨立，這可以提高系統運行時的穩定性；同時在器件選擇上都是技術、性能較為成熟的模塊電路，該門禁系統硬件價格低、功耗低、穩定性高、安全度高、易于市場推廣等特點[6]。

2.3 軟件設計

門禁控制單元的程序包括:門禁控制單元對門的檢測和鎖狀態監控程序、MFRC-522射頻基站與ID卡的通信程序、微處理器與MFRC-522串行通信過程、門禁號信息與數據庫注冊的信息校驗及中斷服務程序、鍵盤密碼校驗中斷服務程序、時鐘電路的讀寫及LCD顯示程序等。主程序流程圖如圖3所示。

圖2 門禁讀卡器系統組成Fig.2 Access control card reader system components

圖3 主程序流程Fig.3 The main program flow

門禁系統的設計采取C語言作為編程語言，Keil uVision4作為程序編寫、調試、編譯、鏈接、生成機器代碼的編程軟件，通過stc-isp進行硬件串口調試。

3 結束語

目前，隨著射頻技術的快速成熟與發展，基于射頻技術的安防領域的分支也得到了快速的發展，應用領域從高安保的銀行、公司走向家庭等場合，呈現一種大眾化趨勢[7]。該門禁系統結合監控系統和報警系統從而實現現代安防領域從非智能化走向智能化的一個過渡，也加強了門禁的安全性。該系統的結構是以射頻識別技術為核心，將傳統的門禁、報警等有機地結合在一起，從而實現了人機操作、報警、實時監控等智能化。

[1]陶劍利.中國智能防盜門禁系統發展趨勢分析[J].中國防偽報道，2006（1）:3-6.TAO Jian-li.Chinesetrendsintelligentsecurityaccess control system analysis[J].China Anti-Counterfeiting Report，2006（1）:3-6.

[2]張軍鵬.IC卡門禁系統設計及分析[J].裝備制造技術，2010（5）:91-92.ZHANG Jun-peng.Design and analysis of IC card access control system[J].Equipment Manufacturing Technology，2010（5）:91-92.

[3]陳錦，譚思云，姜濤.基于射頻識別的小區門禁系統設計[J].儀表技術，2010（5）:150-152.CHEN Jin，TAN Si-yun， JIANG Tao.Designed RFIDbased on access control system cells[J].Instrumentation Technology，2010（5）：150-152.

[4]羅云貴，張友純.嵌入式語音門禁系統的設計與實現[J].安防系統設計，2010（2）：51-54.LUO Yun-gui，ZHANG You-chun.design and implementation of embedded voice access control system[J].China Security&Protection，2010（2）：51-54.

[5]高飛，薛艷明，王愛華.物聯網核心技術RFID原理與應用[M].人民郵電出版社，2010.

[6]謝曉娟，蔣見花.一種基于門控時鐘的低功耗電路實現方案[J].電子器件，2010，33（2）：154-157.XIE Xiao-juan，JIANG Jian-hua.An implementation plan based on low-powerclock gatingcircuit[J].Journalof Electron Devices，2010，33（2）：154-157.

[7]陸忠梅.基于RFID技術的物聯網應用 [J].硅谷，2010（9）:178.LU Zhong-mei.Based on RFID technologynetworking applications[J].Silicon Valley，2010（9）:178.