基于RFID技術門禁系統的設計

孫巍巍

摘要：為了提高門禁系統快速識別功能，提高不同的場合下的識別效果， 確保各重要部門出入口安全。對基于Philips公司生產的RC500組成的門禁系統進行了探討，介紹了門禁系統中射頻技術，本系統采用了工程上成熟的RS485通訊技術，大容量FLASH存儲，I/O輸入輸出功能，實時時鐘功能，使用美國Cygnal公司生產的C8051系列單片機，借助一些系統分析工具和語言來實現系統的分析規劃，從而使得系統的穩定性和安全可靠性有了很大程度的提高。

關鍵詞：RFID； RC500； C8051； 門禁

中圖分類號：TP3681 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）01-0035-03

0引言

門禁系統是對人員或物品在進出通道時進行管制的系統，只有在對象經過授權得到許可方可出入，以前多是由安保人員通過人工識別或登記來完成[1]。近年來，隨著半導體電子和生物科學的高速發展，特別是射頻識別技術、生物識別技術的發展，門禁系統也得到了飛躍式的改進與升級，出現了射頻卡門禁系統、指紋門禁系統和面部識別門禁系統等各種系統。這些系統在安全性、方便性和易管理性等方面各具千秋，是確保各重要部門出入口安全的有效措施，現已廣泛應用于各領域。

1門禁系統概述

門禁系統一般由電子標簽、門禁機、主機三大部分組成。其中，電子標簽基于RFID技術，這是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，概括來說，就是一種自動識別技術。該技術于20世紀90年代興起，并日漸走向成熟。RFID利用射頻信號通過與門禁機內天線的空間耦合（交變磁場或電磁場）實現與門禁機無接觸信息傳遞，并借助所傳遞的信息達到識別目的[2]。門禁控制器則通過對射頻信號的有效識別，最終實現對進出通道的人員或物體進行管理。另外，經由通訊網絡，由主機來實現對門禁數據的監控、進出信息的匯總等。門禁系統的整體結構示意圖如圖1所示。

門禁機是管理門禁的核心部件，除了實現對出入門的管理外，還應具有與主機通訊功能、數據存儲功能、防撬報警功能、實時時鐘功能，以及在某種特定的情況下可實現出入門的常閉和常開功能。對其主要功能分析如下。

（1）射頻處理功能

目前，國內外的射頻處理芯片均已推出多型、多款，國外的Philips、Ti、Atmel、Simens均已具有相應產品，而國內的華虹、復旦微電子等也相繼研發了同類產品，上海公交、地鐵即已采用了國產華虹、復旦微電子的射頻模塊和RFID芯片[3]。在安防門禁行業，目前使用最多的當屬Philips生產的Mifare系列產品。本文采用Philips公司生產的高集成度TYPE A讀寫器芯片MF RC500，載波頻率為13.56MHz，在其內部集成了編碼調制和解調解碼的收發電路，并含有64字節的收發FIFO緩存器。而通過內部地址鎖存和IRQ線，以及內部集成的并行接口控制電路，RC500可以很方便地實現與MCU接口通訊，并且數字、模擬、發送電路均有各自獨立的供電電源，天線驅動電路也僅需很少的外圍元件就可實現射頻通訊，有效距離最大可達100mm。其應用電路圖如圖2所示。

（2）采用工程上成熟的RS485通訊技術

通訊技術目前可見的多為以下幾種：RS485、基于TCP/IP的以太網、光纖通訊、CAN總線、維根通訊等。若從布線的難易程度、成本以及對線纜要求等方面加以權衡比較，當今在市場上最為常用的即為RS485接口以及TCP/IP協議。工程上，出入口點較為集中的一般選用RS485，采用五類雙絞屏蔽線，并在不加中繼器的情況下，理論上最長通訊距離可達1 200米，但在實際應用中考慮到各種干擾以及總線上自帶的門禁點數，通訊距離一般均不超過800米。在波特率的設置上普遍采用4 800bps或者9 600bps，而對于校驗，除了最常用的CRC、XOR校驗外，還有累加和求某個數的模等。另外，對于區域跨度較大的多會選擇TCP/IP協議的門禁機，通過內部局域網實現聯網監控[4]。本文即選用了基于RS485的通訊技術。

（3）大容量存儲功能

門禁機存儲的內容主要有兩部分：① 刷卡進出信息記錄，包括刷卡ID、刷卡時間、以及本門禁機機號等；② 有效或無效卡名單。這也將取決于該門禁機是基于白名單管理還是黑名單管理，前者就是存儲器中存儲允許出入的有效名單即ID卡號，任何刷卡只需搜索有效名單即可實現管理，對掛失卡只需對存儲器中有效名單進行管理就可；后者存儲黑名單，一般情況下則需對ID卡進行操作，在卡中寫入允許進出的門禁機號，刷卡時識別卡中信息和門禁機是否一致，同時搜索存儲器黑名單中是否存在此卡號。在實際應用中，一個門禁機刷卡信息一般需容納8 000～10 000條記錄，存儲滿額時自動覆蓋最初記錄，形成一個數據環，有效名單至少5 000條，如黑名單1 000條即可。

（4）I/O輸入輸出功能

門禁機主要實現對出入門禁的監控和管理，其中的輸入信號通常是：門磁信號、按鈕信號、防撬監視信號、撥碼開關信號。輸出信號則表現為：繼電器輸出信號，在一些特殊場合還有防撬報警輸出信號等。以上一般情況下均為開關量，很適合單片機操作。

（5）實時時鐘功能

對于實時時鐘，其實現方式有兩種。其一是利用單片機內部時鐘分頻產生時間，其二需采用單獨的實時時鐘芯片，外加后備電池即可，時鐘的精度則由晶振的精度和芯片來決定。但是這兩種方式都存在著長時間運行、時鐘會滯后的缺點，這就需要主機與門禁機的時鐘同步調制，應該每隔一段時間，即采用主機時鐘更新門禁機時鐘。整個門禁機的結構示意圖如圖3所示。

C8051單片機是美國Cygnal公司研發生產的新型8位單片機，基于CISC結構并采用CIP-8051結構，使單周期的指令速度提高到原來8051的12倍，整個指令集平均運行速度為原來8051的9.5倍，同時C8051系列單片機采用了開關網絡，以硬件方式實現了I/O端口的靈活配置[5]。通過交叉開關配置的I/O端口系統中，單片機外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口；對內則是輸入/輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的端口上，為端口配置和硬件設計提供了極大便利。關于低功耗設計方面，C8051系列單片機采用片內可編程時鐘振蕩器，無需外部器件，就可實現2、4、8和16 MHz時鐘的編程設定。在外圍擴張功能上，C8051系列單片機不斷推出含有A/D、D/A、CAN、USB功能的子系列，其中的C8051F120無論在外圍功能、存儲容量還是運行速度上，均能與ARM、DSP相抗衡，可以用在音頻或視頻上。在仿真調試中，則采用目前比較流行的JTAG接口（IEEE1149.1），在PC機軟件的協同配合下，通過串行的JTAG接口直接對產品進行仿真，同時支持Flash ROM的讀/寫操作及非侵入式系統調試，其JTAG邏輯還為系統測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實現監測和控制。

在設計中，文中采用了C8051F340型號，其時鐘頻率為48MHz，64K字節的flash閃存和4 352字節的RAM，內部振蕩器精度達0.25%，完全可以省去外部晶振而不會影響通訊波特率，在通訊接口方面除了UART串口外，還增加了SPI和SMBUS等，由此降低了硬件設計的難度[6]。其應用電路圖如圖4所示。

3軟件設計

系統整體的軟件設計主要分為兩部分：門禁機底層代碼的設計和主機界面信息管理的代碼設計，兩者間的溝通聯系就是借助通訊協議。因而，對于系統分析師來說，設計一個性能優良的通訊協議尤為重要。為達此目的，就必須對系統整體非常了解，對客戶的需求和系統實現的功能也必須高度清楚，其中可以借助一些系統分析工具或語言來實現系統的分析規劃，同時對復雜的系統進行建模[7]。下面分別對這兩部進行分析和闡述。

3.1底層設計

底層代碼設計只需畫出流程圖，按照模塊化設計思路展開設計，由于C8051系列可以通過JTAG在線仿真調試，借助基于Keil C平臺上開發的C語言，其編譯的效率和匯編相差不到10%。整個底層代碼主要分為：射頻模塊、通訊模塊、I/O輸入輸出模塊、存儲模塊。

3.2管理界面設計

管理界面一般分為前臺界面信息管理和后臺數據庫，從軟件模塊化設計和其后的維護升級來看，多是采用三層結構：前臺界面層、中間層、后臺數據層。其中，前臺界面層可以采用高級語言如：Visual C++、Visual Basic、C++ Builder、Delphi，基于Web則可采用.net構架的C#或者Java語言，可隨編者喜好任意選擇，但控制標準則為設計界面簡潔、且操作方便直觀。中間層主要為DLL庫或者Activex 控件，其中包含一些對底層門禁機操作的代碼，這將隨硬件改動而同時升級，一般無需改動[7]。后臺數據層就是基于ODBC或者JDBC的數據庫連接，一般采用Microsoft公司SQL Server，數據庫架構的靈活設計，可以方便今后數據庫的遷移升級，如改為ORACLE、DB2等，也利于日后整合至企業的ERP系統里。

4結束語

本文通過結合作者在實際工程應用中的體會介紹了門禁系統的組成。近幾年來，由于識別技術高速發展和嵌入式系統性能提高及其成本的相應降低，門禁系統融合了生物識別、RFID身份識別以及圖像識別等技術，開展了有關研究，且其中各有優缺點。如何實現快速有效地識別，以及在不同的場合下提高識別的效果則是目前正在研究的重點和熱點問題。

參考文獻：

[1]瞿小玲.基于RFID的低功耗智能門禁系統的設計與研究[D]. 成都：成都理工大學 ，2012.

[2]游戰清，李蘇劍. 無線射頻識別技術（RFID）理論與應用[M]. 北京：電子工業出版社 ，2004：285-287.

[3]王汝琳. 智能門禁控制系統[M]. 北京：電子工業出版社，2004，9： 159-163.

[4]陸永寧. IC卡應用系統[M]. 南京：東南大學出版社，2000：215-220.

[5]何立民. 從Cygnal C8051F看8位單片機發展之路[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2002：56-62.

[6]Michael Jackson. 軟件開發問題框架：現實世界問題的結構化分析[M]. 北京：機械工業出版社，2005：3-6.

[7]Steve Hoberman. 數據建模：分析與設計的工具和技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004：377-382.

[8]Dean Leffingwell， Don Widrig. 軟件需求管理：用例方法[M]. 北京： 中國電力出版社，2004：234-240.