基于多平臺的RFID門禁控制系統設計

稅科　馮好南

摘要：近年來，RFID自動識別技術發展迅速，考慮不同平臺的不同特征，本文分別對Arduino、51單片機、樹莓派三個平臺進行實現與對比。通過已經注冊的RFID射頻識別卡進行識別，并建立通訊，實現不同平臺對RFID卡的識別。

關鍵詞：RFID；STC8C52單片機；Arduino；樹莓派；門禁系統

1 引言

因多平臺性能選擇越來越多，人們對RFID開發的控制平臺有著多種選擇，系統的可靠性，成本的控制，開發周期長度都應予以綜合考慮。因此為滿學習者需要，滿足人們對開發平臺的選擇需求，基于多平臺的RFID門禁系統由此產生。

2射頻識別卡與讀卡芯片介紹

2.1 Mifarel射頻IC卡

射頻IC卡選用MIFAREMF1標準卡片，MF1是符合ISO/IEC1443A的非接觸智能卡，卡片上除了IC微型芯片及一個高效率天線外，無任何其他元件。內有高速的CMOS、EEPROM、MCU等。8KBits的EEPROM存儲器空間被劃分為16個扇區，每個扇區4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位，工作頻率為13.56MHz。卡片標準讀寫距離高達10cm，卡與讀寫器之間的通信速率高達106Kbit/s。

2.2 MF RC522讀寫卡芯片

MFRC522是Philips公司推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，集成13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和協議。MFRC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424kbps。內部發送器部分不需要增加有源電路就能直接驅動近操作距離的天線與ISO14443A/ MIFARE卡和應答機的通信。接收器包含解調和譯碼電路，用來處理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和應答機的信號。芯片具有充裕的64字節的發送接收緩沖區，內置CRC協處理器，帶有靈活高速的串行接口I2C、SPI、Serial UART，方便連接到各類MCU。

3系統結構框架

本系統由中央控制計算機、多平臺開發板、讀卡模塊、通訊模塊（RS485）、電控鎖、門禁開關等組成。整個系統的核心部分是射頻卡讀卡器/發卡器，實現與射頻卡的通信，并根據讀卡信息控制電控鎖的開閉，實現門禁系統管理等工作。本系統結構框圖如圖1所示。

讀卡器是門禁系統的核心部分，非接觸式讀卡方式。持卡人只需要將卡片在讀卡器感應區內快速晃動一下，讀卡器便通過射頻信號與IC卡通訊，認證密碼，讀寫卡中的數據，并將其存入讀卡器系統的儲存器中。整個過程只要有效的刷卡范圍內均可實現門禁管理功能。

本系統射頻卡讀卡器的設計由讀卡模塊、多平臺的單片機、PC機及相應的輔助電路組成。讀卡模塊是該系統讀卡器最重要的工作單元，讀寫芯片MFRC522、天線和天線耦合電路等組成。

3.1 基本工作原理

上電初始化后，讀卡器一直處于尋卡狀態，一旦檢測到有卡進入感應區，單片機會控制讀卡芯片發送出相關性的信號和射頻卡之間開始通訊，讀取射頻卡的信息，然后單片機根據反饋的卡片信息輸出電控制型號，控制電控鎖實現門禁效果；同時，單片機還負責與電腦進行通訊，實時獲取指令和傳輸系統的工作狀態等功能。下面主要介紹多平臺的性能比較的方面闡述整個系統的設計。

3.2 系統軟件設計

該系統的軟件包括單片初始化（定時器，串口和中斷等），RS232通訊程序設計，MFRC522讀卡串口通訊程序設計等。基于C語言設計操作函數；通過封裝成頭文件和源文件進行系統主程序調用。各個部分程序根據采用的平臺不同，分別基于Arduino IED，Keil uVision4，eclipse 平臺。

4 多平臺實現門禁系統

4.1 基于Arduino開發板的實現

Arduino開發板大多數是基于AVR的8位單片機，常見的開發板基于Atmega328p芯片的UNO，NANO，MINI以及基于Atmega2560芯片的MEGA。Aduino有很強的擴展性，提供了豐富的接口。Arduino開發環境為Arduino IDE，是與硬件平臺相比配的基礎開發環境，基于Eclipse。官方自帶語言、函數、庫等，它把AVR單片機的相關設置都參數化，模塊化的庫，使開發者不必了解底層的編寫就可以開發項目。

圖3為基于Arduino開發板實現的門禁系統硬件連接圖，通過MFRC522的編程控制接口與Arduino UNO相連。SCK---Digital 13，MOSI--Digital 11，MISO--Digital 12，IRQ--不用連接，RST--Digital 9。

4.2 基于51單片機開發板的實現

STC89C51是一種低功耗的CMOS 8位微控制器，使用MCS-51內核，具有512b RAM，8kb Flash，32位I/0接口，4個外部中斷源，一個7位向量4級中斷結構，3個16位定時器。單片機AT89C51的串口通訊有4種方式，可通過編程設置。編程開發環境選用Keil uVision4，它是51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢。

除復位電路、時鐘電路、射頻前端電路等常規外圍電路外，單片機的P1.3-P1.7口和MFRC522進行數據通信。

4.3 基于樹莓派開發板的實現

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網接口，可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上。樹莓派開發板接口結構為，在SPI、I2C、UART三種串行總線協議中使用SPI串行外設接口。SPI串行外設接口：SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸，在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，速度可達到幾Mbps。

圖4為基于樹莓派開發板實現的門禁系統硬件連接圖，SDA、SCK、MOSI、MISO、RST接口分別連接樹莓派的GPIO 8、GPIO 11、GPIO10、GPIO 9、GPIO 25接口，使用的RC522的接口有SDA、SCLK、MOSI、MISO、GND、+3.3V、RST。

5 總結

本文在RFID技術相關理論的基礎上，結合電路設計和軟件編程方面的知識，設計出了多平臺的門禁系統。讀卡器硬件主要由讀卡芯片MFRC522、射頻天線、RS232通訊接口以及多平臺微控制系統組成，能讀寫Mifarel非接觸式IC卡。進行多平臺的設計，提高了用戶的選擇性，經測試，不同平臺性能優異，同時具有安全性，用戶使用方便，合理管理和控制成本等優點，對將來應用提供了良好的參考。

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