基于RFID技术的门禁系统研究

刘 勇，陈祈邦，巫辉东

（北京理工大学 珠海学院，广东 珠海 519088）

随着无线射频技术的快速发展，无线射频技术因其具有独特的优越性在日常的生活中作为安全防范领域中得到了飞速的发展和较广泛的应用[1]。射频无线技术作为安防领域中的门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因在于它与传统的安防产品相比有较大的改变，将被动的安防方式变为了主动控制方式。同时该门禁系统支持密码校验和认证，对ID卡的识别过程无须人为干预，同时它既支持对ID卡的读工作模式也支持卡的读写工作模式；这种ID卡即使在恶劣环境下的环境下也可以正常工作在，识别速度快数据容量大，ID卡标签数据较为唯一，如同身份证般，卡在出厂时就已经制作号，无须再修改，隐密性高，具有更好的安全性。

1 射频识别技术原理及主要特点

无线射频识别技术[2]是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它的基本识别原理是利用射频无线方式进行非接触双向通信，从而达到自动识别目标对象并获取相关数据信息，同时它具有抗干扰强、适应环境能力强、精度高、操作快捷等许多优点。

1.1 工作原理

本系统中的非接触式门禁读卡基站是以射频识别技术为核心，这种基站是一个体积小、重量轻、操作距离最大可达10 cm的ID卡射频基站[3]。当门禁读卡基站工作时，它与专用的射频基站（MFRC-522）相连的线圈天线不断地四周发送一组固定频率的电磁波（13.56 M），当有非接触式ID卡靠近时，此时激发的频率可以与卡片内存储一组固定的LC串联谐振电路产生共振，当该共振频率与读写基站发射出来频率相同时，由共振原理得知，通过共振从而激发电荷产生电荷量并将已经存储好的数据发送出去，并通过射频基站解码从而获得卡号。而ID卡的原理是当接收到有由射频基站发出的频率后，卡内置的电容处于激发充电状态从而产生了激发电荷，在该电容另一端，同时接有一个具有单向导电性的电子泵，该电子泵可以将激发电容内的电荷送到另一个未激发电容内进行电荷存储。当存储电容的电荷量达到2 V时，此存储电容就可以作为卡上电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去。在该门禁系统中，当有ID卡进入射频基站的天线发送频率的感应区内时，门禁读卡基站就会读取非接触式ID卡的卡号，并将所读卡号通过串口发送给微处理器，并在显示屏上显示服务信息，同时进入密码校验服务程序，当密码校验正确后启动门锁，若密码校验错误超过三次以上，将给予警告处理。当门禁读卡基站天线未检测到ID卡时，微处理器将进入闲时模式，读实时钟电路的时钟信息，并在显示屏上显示当前日期和时间。

典型的射频识别系统主要由三部分构成：微控制器、ID卡和射频基站，其工作原理如图1所示。

图1 非接触式射频读卡的工作原理Fig.1 The work principle of contactless RF card

1.2 主要特点

和传统的门禁系统相比，有以下智能化特点：

1）射频识别卡片小且重量轻，携带方便，射频基站可以在10 cm左右的范围内可以实现对卡号的识别与读写；

2）ID卡片制作封闭，具有良好的防灰尘、防水、防污损性能；

3）在操作过程中不需要和门锁接触，减少了机械磨损；

4）射频无线信号的穿透能力强，可生活中的穿障碍物，卡号数据量传输小，易于读取；

5）ID卡较IC卡内序列号就像身份证一样，具有惟一的，生产商在卡出厂前已将此序号固化，安全性高；

2 系统设计与实现

2.1 系统总体设计

整个门禁系统的设计方案是采用无线射频识别技术（RFID），匙钥是采用质量体积轻巧的ID卡作为门禁卡，控制单元采用价廉、稳定性高、技术比较成熟的单片机作为系统的控制核心，同时为了增高门禁的防盗系数，本系统在传统的射频门禁系统方案中增加了密码校验功能，进行读卡密钥双校验，另外增加显示屏作为人机交互界面，同时增加语音提示功能和时钟源作为闲时的时间显示功能，本系统整个操作过程如同日常生活中银行ATM操作流程一样[4]。具体的操作设计流程如下：当匙钥ID卡靠近控制器的读写器基站时，读写器基站可以准确地对其进行卡号识别并读取后，并将其序列卡号通过串口数据发送给控制器上的微处理器，然后微处理器通过中断服务程序调用数据库信息与该卡号对应的用户信息进行匹配，如果该卡号已进行过信息注册为用户后，则通过卡号验证并通知微处理器校验成功，然后语音提示正确并同时提示用户进行密码输入键盘校验，若密码校验成功则触发门锁控制启动开门；若读卡失败或卡号信息与数据库中注册的信息不匹配并且刷卡次数超过三次，则语音会给予警告提示；若卡号校验成功，但密码校验不通过且密码输入次数超过三次，则启动报警装置禁止通行并告知持卡人迅速离开；若在两种密码校验都失败后，则启动超声波检测装置来检测当前操作的人是否还在警报状态下仍在超声波检测范围内；同时，在系统闲时会通过时钟电路读取当前时钟信号显示此时时间。

整个系统概要组成由ID卡、读写基站、键盘矩阵和微处理器及时钟电路五部分组成。微处理器是系统的控制核心，而读写基站通过无线射频技术与ID卡进行无线通信，从而完成卡号的读取和数据的发送，当通过串口发送，微处理器收到通信数据后，与数据库中已经注册的卡号信息校验，若成功后启动键盘密码校验功能，通过双重安全校验都成功后，控制端作出相应的反应，从而实现整个工作流程。

2.2 硬件组成

门禁系统的读卡器基站相当于一个智能的节点，它能独立完成门状态和锁状态的监控、判断卡类型、实时监控刷卡动作、控制电磁门锁和报警器等一系列的操作[5]。整个门禁系统的硬件部分主要包括负责控制和监控识别部分的微处理器、射频基站电路、时钟电路、报警装置（声光报警电路）、超声波检测电路、复位电路、按键矩阵电路。电路的硬件框图如图2所示。控制单元采用的是STC公司STC12C5A60S2单片机作为控制单元，这款单片机是常用的MCS-51系列单片机的增强版本，它具有良好的低功耗、抗干扰和性价比高的特点，同时在同样的晶振的情况下，较普通的MCS-51主频处理速度8到12倍，片上集成了1280字节的RAM，有8路10位高精度的AD采集通道，具有4个16位定时器，较普通8051增加了两个定时器、两路PWM功能、两个标准的串行通信口，并具有P4口，支持ISP程序下载，并且与传统8051单片机兼容；超声波模块采取HC-SR04，该模块性能稳定，测距精度高，检测盲区较小，编程操作较为简单；显示屏采用LCD1602作为人机交互屏，该显示屏低功耗、重量体积轻巧、显示内容丰富；键盘采用8x8的矩阵按键；时钟电路采用DS1302作为实时时钟电路，它高性能、低功耗，同时自带RAM作为实时时钟，同时对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年自校正功能；射频基站采用市场上用的较为普遍的MFRC-522，该射频模块集成了编码解调和解调编码的收发功能，对ID卡的数据读取有效距离最远可以10cm，同时集成了并行和串行端口的控制电路，可以自动检测与之相连的外部微控制器的端口类型，具有64字节的FIFO缓冲寄存器，用来与微处理器之间的数据流的输入和输出。

整个门禁系统的硬件电路较为简洁，辅助电路较少，每个模块响应单元较为独立，这可以提高系统运行时的稳定性；同时在器件选择上都是技术、性能较为成熟的模块电路，该门禁系统硬件价格低、功耗低、稳定性高、安全度高、易于市场推广等特点[6]。

2.3 软件设计

门禁控制单元的程序包括:门禁控制单元对门的检测和锁状态监控程序、MFRC-522射频基站与ID卡的通信程序、微处理器与MFRC-522串行通信过程、门禁号信息与数据库注册的信息校验及中断服务程序、键盘密码校验中断服务程序、时钟电路的读写及LCD显示程序等。主程序流程图如图3所示。

图2 门禁读卡器系统组成Fig.2 Access control card reader system components

图3 主程序流程Fig.3 The main program flow

门禁系统的设计采取C语言作为编程语言，Keil uVision4作为程序编写、调试、编译、链接、生成机器代码的编程软件，通过stc-isp进行硬件串口调试。

3 结束语

目前，随着射频技术的快速成熟与发展，基于射频技术的安防领域的分支也得到了快速的发展，应用领域从高安保的银行、公司走向家庭等场合，呈现一种大众化趋势[7]。该门禁系统结合监控系统和报警系统从而实现现代安防领域从非智能化走向智能化的一个过渡，也加强了门禁的安全性。该系统的结构是以射频识别技术为核心，将传统的门禁、报警等有机地结合在一起，从而实现了人机操作、报警、实时监控等智能化。

[1]陶剑利.中国智能防盗门禁系统发展趋势分析[J].中国防伪报道，2006（1）:3-6.TAO Jian-li.Chinesetrendsintelligentsecurityaccess control system analysis[J].China Anti-Counterfeiting Report，2006（1）:3-6.

[2]张军鹏.IC卡门禁系统设计及分析[J].装备制造技术，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]陈锦，谭思云，姜涛.基于射频识别的小区门禁系统设计[J].仪表技术，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]罗云贵，张友纯.嵌入式语音门禁系统的设计与实现[J].安防系统设计，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]高飞，薛艳明，王爱华.物联网核心技术RFID原理与应用[M].人民邮电出版社，2010.

[6]谢晓娟，蒋见花.一种基于门控时钟的低功耗电路实现方案[J].电子器件，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]陆忠梅.基于RFID技术的物联网应用 [J].硅谷，2010（9）:178.LU Zhong-mei.Based on RFID technologynetworking applications[J].Silicon Valley，2010（9）:178.