基于RFID遠(yuǎn)程授權(quán)門禁系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

徐義照，辛政華

（1.宿州學(xué)院 智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，安徽 宿州 234000；2.宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

0 引 言

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification, RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于生活中，常見(jiàn)的身份證和校園卡就使用了這種技術(shù)。作為條形碼的無(wú)線版本，RFID技術(shù)具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如使用壽命長(zhǎng)、安全性高、抗污染；相比于條形碼RFID標(biāo)簽，其可以對(duì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，它的應(yīng)用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性變化。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展讓人們?cè)絹?lái)越關(guān)心建筑內(nèi)部的安全性，門禁系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。門禁系統(tǒng)集電腦技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、磁電技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)于一體，使卡與鎖之間實(shí)現(xiàn)完整“對(duì)話”功能，從通過(guò)鑰匙開(kāi)門過(guò)渡到現(xiàn)在的非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)。非接觸式門禁系統(tǒng)采用個(gè)人識(shí)別卡方式工作，給每個(gè)有權(quán)進(jìn)入的人發(fā)一張個(gè)人識(shí)別卡相當(dāng)于一把鑰匙，系統(tǒng)根據(jù)該卡的卡號(hào)和當(dāng)前時(shí)間等信息判斷該卡持有人是否可以進(jìn)出。本文結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（通過(guò)WiFi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸）、物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、手機(jī)APP開(kāi)發(fā)技術(shù)等開(kāi)發(fā)了一套基于RFID的遠(yuǎn)程授權(quán)門禁系統(tǒng)。

1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由兩部分組成：讀寫器和射頻卡。

圖1 RFID系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

讀寫器同RFID卡之間通過(guò)無(wú)線方式通信，因此它們都有無(wú)線收發(fā)模塊及天線（或感應(yīng)線圈）。RFID卡中有存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)永久性數(shù)據(jù)和非永久性數(shù)據(jù)。按照標(biāo)簽內(nèi)電池的有無(wú)可以分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽內(nèi)置天線和電池，無(wú)源標(biāo)簽所需要的工作能量主要從讀寫器發(fā)出的射頻波束中獲得。以微處理器為核心部件的控制模塊主要執(zhí)行功能包括：與計(jì)算機(jī)通信，上傳標(biāo)簽數(shù)據(jù)；在標(biāo)簽識(shí)別后與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼，等等。計(jì)算機(jī)的功能是向讀寫器發(fā)送指令，并與讀寫器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能門禁身份認(rèn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖2所示，其中主要包括RFID標(biāo)簽識(shí)別讀寫模塊、主控分析模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、響應(yīng)模塊。

圖2 身份認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

RFID標(biāo)簽識(shí)別讀寫模塊：由RFID標(biāo)簽、天線以及NFC模塊構(gòu)成。當(dāng)NFC模塊經(jīng)供電產(chǎn)生RF場(chǎng)，通過(guò)其天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)；當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，向解讀器（NFC模塊+天線）發(fā)送自身編碼等信息；解讀器接收到信息并解碼后發(fā)送給主控分析模塊。

主控分析模塊：接收NFC模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理；通過(guò)WiFi模塊把讀取的卡號(hào)和信息發(fā)送給手機(jī)端，手機(jī)端會(huì)通過(guò)接收到的卡號(hào)判斷是否為“允許”卡，并記錄卡號(hào)信息和通知管理員。同時(shí)主控Microduino-core+分析模塊會(huì)根據(jù)刷卡的卡號(hào)信息，判斷是否為“允許”卡以及是否要開(kāi)門。如果不是管理員允許的卡號(hào)，主控Microduino-core+模塊會(huì)調(diào)用蜂鳴器和警報(bào)燈進(jìn)行警示。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：主要以WiFi模塊為核心。將WiFi模塊開(kāi)啟為STA+AP模式并將其關(guān)聯(lián)路由器（AP模式指的是可以將網(wǎng)卡設(shè)置為路由器用來(lái)共享流量或?qū)⒂芯€網(wǎng)絡(luò)給別人使用，STA模式指的是當(dāng)作網(wǎng)卡連接路由器上網(wǎng)），這樣WiFi模塊就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信了，WiFi模塊主要是把主控模塊獲取的卡號(hào)信息傳輸?shù)绞謾C(jī)端進(jìn)行判別提醒和在PC端進(jìn)行信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份。

響應(yīng)模塊：主要包括電控鎖、門磁、蜂鳴器、繼電器模塊、兩個(gè)LED提示燈（紅、綠）、紅外傳感器模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。其中綠色LED燈用來(lái)顯示主控模塊是否正常工作，若主控模塊不能正常工作，則綠色LED燈熄滅；蜂鳴器和紅色LED燈是為了顯示刷卡的卡號(hào)是否為“允許”卡，若不是“允許”卡，則進(jìn)行警報(bào)提醒，起到警示作用；繼電器模塊用來(lái)控制電控鎖和門磁進(jìn)行開(kāi)關(guān)門響應(yīng)，當(dāng)刷卡卡號(hào)為“允許”卡時(shí)主控模塊會(huì)調(diào)用繼電器進(jìn)行開(kāi)門響應(yīng)，并且調(diào)用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)模擬開(kāi)門操作；紅外傳感器模塊用來(lái)監(jiān)測(cè)刷卡者是否已通過(guò)，確保刷卡者已通過(guò)，不會(huì)造成在進(jìn)門過(guò)程中突然關(guān)門，當(dāng)紅外傳感器模塊檢測(cè)不到障礙物時(shí)調(diào)用蜂鳴器提示刷卡者關(guān)門，并通過(guò)主控模塊調(diào)用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)模擬關(guān)門操作，還可以防止人走忘關(guān)門的現(xiàn)象。

3 遠(yuǎn)程授權(quán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件核心設(shè)計(jì)

智能門禁遠(yuǎn)程授權(quán)開(kāi)門系統(tǒng)的核心是由WiFi模塊和主控Microduino-core+模塊構(gòu)成。WiFi模塊連接到路由器上，同時(shí)電腦的WiFi連接到WiFi模塊上，通過(guò)路由器將手機(jī)端的指令傳送到WiFi模塊上，WiFi模塊再將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控Microduino-core+模塊，同時(shí)也發(fā)送給電腦端并存儲(chǔ)在電腦里。主控模塊Microduino-core+接收到WiFi模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)后會(huì)調(diào)用繼電器模塊對(duì)電控鎖和門磁進(jìn)行斷電操作，同時(shí)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)模塊進(jìn)行正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門響應(yīng)。框架模型如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程授權(quán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 手機(jī)端APP

用戶使用專用的APP通過(guò)IP通道，選擇近程連接或者遠(yuǎn)程連接登錄到控制主界面，然后可以對(duì)門控進(jìn)行操作，整體框架如圖4所示，手機(jī)APP登錄界面如圖5所示；對(duì)于登錄時(shí)需要的秘鑰，本項(xiàng)目采用的是手機(jī)的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí) 號(hào)（International Mobile Equipment Identity, IMEI），IMEI是由15位數(shù)字組成的“電子串號(hào)”，它與每臺(tái)手機(jī)一一對(duì)應(yīng)，而且該碼是全世界唯一的。根據(jù)這個(gè)特性通過(guò)截取其中幾位數(shù)字來(lái)充當(dāng)秘鑰進(jìn)行登錄驗(yàn)證（本項(xiàng)目截取了開(kāi)始的六位數(shù)字），實(shí)現(xiàn)代碼如圖6所示。

圖4 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)框架

圖5 手機(jī)端APP登錄界面

圖6 獲取IMEI號(hào)實(shí)現(xiàn)秘鑰登錄的代碼

3.2.2 PC端

通過(guò)PC端實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的管理、人員的登記和選擇IC卡的發(fā)放方式；還可以根據(jù)開(kāi)門記錄來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所的登記考勤功能，其主要記錄開(kāi)門的時(shí)間以及開(kāi)門方式和開(kāi)門者的信息。如果房間貴重物品丟失，可以根據(jù)開(kāi)門時(shí)間以及方式，分析丟失原因，快速找到丟失物品。總體框架如圖7所示。

圖7 PC端整體框架設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的智能門禁系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從傳統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向新興的智能家居、智能安防等系統(tǒng)的應(yīng)用。本文針對(duì)現(xiàn)代門禁的一些不方便之處，設(shè)計(jì)了基于Microduino-core+的智能門禁可遠(yuǎn)程授權(quán)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要由四個(gè)模塊組成：主控模塊Microduino-core+、射頻識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和響應(yīng)模塊；還須在室內(nèi)配置一個(gè)開(kāi)關(guān)直接控制電磁鎖從而控制門的開(kāi)關(guān)，為室內(nèi)人員開(kāi)門所用。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門禁能夠根據(jù)具體情況采取合理的措施，滿足人們實(shí)際的需求，為人們的生活帶來(lái)更大的便利，是未來(lái)智能家居或者智慧實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。