基于MIFARE技术的开放性实验室硬件控制系统设计

张学龙

（湖南师范大学工学院，湖南长沙410081）

基于MIFARE技术的开放性实验室硬件控制系统设计

张学龙

（湖南师范大学工学院，湖南长沙410081）

建设开放性的实验教学管理模式，必将是高等学校教育改革的核心工作之一。本系统采用非接触式的射频识别技术后，实现自动计时计费，自动生成报表，将实验室管理人员从繁杂的开关门工作中解放出来，从技术层面加强实验教学的日常管理，必将产生较高的社会效益和经济效益。

开放性；射频识别；读写器；自动化；单片机

随着计算机技术、网络通讯技术及自动控制技术的发展，宾馆、商店、小区、学校等需要进行身份认证的服务性区域，非接触式的射频IC卡技术得到了很大的应用。这些系统基本都是利用非接触式IC卡技术进行门禁控制、计时收费管理，功能相对比较单一。而在学校电子阅览室、实验室、琴房等区域，需要根据使用者的身份授权，刷卡开启门禁，系统自动开启对应的使用设备，自动完成计时、考勤、计费，并输出数据报表，实现管理的自动化与智能化，对于建设开放性的实验室，将管理员从繁杂的开关门工作中解放出来，进行控制系统的智能研究，是实验室智能管理的重要研究方向和必然发展趋势。本研究主要采用非接触式射频卡控制技术实现开放性实验室的智能控制。

一、研究的背景及意义

目前在国内国外的同类研究中，非接触式射频卡技术的发展很快，在宾馆、小区、商店超市等区域得到了大量的应用。综合国外的研究情况来看，主要是 TI、ST、SIEMENS、PHILIPS、MOTOROLA等厂家生产的产品，且他们自成系列，相互之间并不兼容，这给该技术的推广应用造成很大困难[1]。国际标准化组织综合该技术的发展情况，统一制定了相应的标准，也就促使各生产厂家推出符合符合这一标准的产品，大大促进了非接触式射频技术的发展与应用。我国在这一领域的起步较晚，相关的研究与国外还是有很大的差距，但是发展非常迅速，目前的应用也主要是在门禁系统，实现简单的计时、计费，功能单一。

随着我国高等教育改革的不断深入，提高教育技术设备的使用率，建设开放性的实验室智能管理体系是改革的核心工作之一。要实验开放性实验室智能管理，结合无线电源管理技术，进行校园非接触式射频技术“一卡通”设计研究，使用者经身份授权，刷卡进入实验室，并自动开启使用设备的控制电源，完全能在技术层面实现开放性的实验室智能管理。从该技术的应用来看，在湖南省高校的实验室管理中，也仅有长沙师范高等专科学校进行了大胆的尝试，虽然还有待进一步完善，还是取得了很大的成功，其他高校应用该技术进行管理的少之又少，几乎没有，因此该技术有很大的发展空间。

二、非接触式射频识别系统

1、MIFARE 技术

MIFARE技术集计算机技术、自动控制技术、传感技术与机电一体化技术于一体的射频识别技术的核心。MIFARE卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、内存容量最大的一种感应式智能IC卡[2][3][4]，其功能方框如下图所示：

图1：

主要包含模拟与数字两大部分。模拟部分由正弦波-方波波形转换电路、调制解调电路、整流电路、复位电路、电压调节电路等几部分组成；数字部分由请求应答ATR模块、防重叠AntiCollision模块、SeleetApplieation卡片选择模块、Authentication&Acess control认证及存取控制模块、Contrel&Arithm Unit控制及算术运算单元、RMA/RMO单元、Crypto Unit数据加密单元等几个部分[5]。

2、非接触式射频识别系统的组成

非接触式射频识别系统主要由射频MIFARE卡、射频读写器两大部分组成，其组成框图如下图所示：

（1）射频标签

射频标签也即是射频卡，具有唯一的身份编码与加密通信能力。其内部包含内置天线、射频处理电路、数据存储器等部分。射频卡本身是不带电源的，当射频卡靠近读写器时，由其内置天线利用电磁感应，通过互感接收射频读写器发射的无线调制信号能量，再经整流获取本身所需要的工作电压，在该电压达到要求值时，激活内置电路开始工作。射频处理电路经对接收的信号进行解调，进行身份认证后，将数据信息存储于数据存储器中；数据存储器中的数据信息经射频处理电路调制后，又由内置天线发射出去，读写器接收该无线信号，实现射频卡与读写器之间的数据双向通信。由于读写器发射的无线信号很微弱，对卡与读写器之间的传输距离造成很大影响，需要对传输的数据信息进行调制处理，并遵守IS014443A通信协议。

（2）射频卡读写器

射频卡读写器又称读头，是射频卡与MCU之间的通信桥梁，主要由读出写入电路、射频处理电路与内置天线等几部分组成。MCU发出的数据指令经读出写入电路后，输出至射频处理电路调制，调制信号经天线发射出去；天线接收到的无线信号经射频处理电路解调，由读出写入电路输出至MCU，完成射频卡与MCU之间的数据交换。

三、射频卡读写器电路设计

射频卡读写器的硬件电路分为MCU控制器、射频控制电路、电平转换电路、天线等几个部分。MCU通过RS232模块进行电平转换后与PC机进行数据传输，MCU输出的数据信息经射频控制电路FM1715模块调制后，从天线上发射出去。天线接收的无线信号经FM1715解调后，将指令数据输送给MCU。其原理框图如下所示：

1、RS232通信接口电路

RS232是以正负电压表示逻辑状态，而TTL是以高低电平表示逻辑状态的，要与计算机接口或终端的TTL器件相连接，可选用MAX232完成电平转换。采用DB-9连接器，在通信速率小于或等于20kb/S时，电缆长度不能大于15米。

2、MCU电路设计

MCU由AT89C52为核心组成，电路设计如下：

在此电路中，P0口为读写模块接口，是时分复用地址总线。CS为片选信号，ALE为数据寄存器读写控制信号。RST为复位端，按S1时，电路复位。

3、FM1715射频模块电路设计

FM1715是基于ISO14443标准，支持多种加密算法的读写专用芯片[6]。在该电路中，L1、L2、C2、C3、C4、C5 组成低通滤波器，其作用主要是滤除射频信号中的高次谐波；Y1、C6、C7组成时钟振荡器；射频接收信号经C1、R1耦合后，输入RX端，FM1715的30脚为RX端提供偏置电压，C8旁路电容，滤除交流分量，使电路工作稳定。

4、智能门锁控制电路

管理主机输出的信号，需要经RS232/RS485转换，可使传输距离延长至1500米。在RS232/RS485转换器中，为了减小工业干扰的影响，需要采用光电耦合隔离，在RS485的一组平衡线中传输多组数据信息，实现管理主机与智能门锁的数据通信。

随着高等教育改革的不断深入，实现智能化、无人化开放性实验室管理是发展的必然趋势，非接触式的开放性实验室智能管理系统的应用领域会非常广阔，本系统的研究也必然会不断深入，也给后续的研究带来了新的课题。

[1]周晓光,王晓华.射频识别（RFID）技术原理与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2006.12.

[2]Standard Card IC MF1IC S70 Functional Specification.Philips Semicon ductors 2001.

[3]Philips Semiconductors.Mifare MF RC500 Highly Integrated IS014443A Reader ICData Sheet.Philips corporation.2001.

[4]Mifare Standard IC Card Design Data Sheet.Philips Semiconductor,2002.

[5]周立功.MIFARE标准IC卡MFII CS 50功能说明书[EB/OL].Http//www.zl gmeu.com,2002.

[6]何翔,刘大健.基于FM1715的射频识别系统的开发[J].现代电子技术,2007（12）.

Design of Control System of Hardware About the Open laboratory Based on MIFARE Technology

ZHANG Xue-long
(Hunan Normal University,Changsha 410100，Hunan)

The Construction of the open laboratory teachingmanagement model,will be one of the core works about the reformof higher education.This paper adopts the contactless RFID technology,realization of automatic timing and charging,automatic report generation.It liberates the manager from the complicated switch door work,strengtheningexperimental teachingand daily management fromthe perspective of technology,and it well produces high social benefit and economic benefit.

open；radiofrequency identification；read/write device； automation；single chip microcomputer

G482

A

1671-5004（2011） 05-0014-02

2011-8-20

张学龙（1971-），男，湖南澧县人，湖南师范大学副教授，研究方向：电路与系统。