基于RFID技术的门禁控制系统设计

2018-05-23张锋

智能计算机与应用 2018年2期

关键词：IC卡

张锋

摘要：根据门禁管理的现状和发展趋势，基于RFID技术，本文研究了简单的门禁控制系统。系统硬件平台采用STC89C52单片机为核心。由S50非接触式IC卡及MFRC522读写模块或4×4矩阵键盘来构成识别、验证终端 LCD12864显示模块构成显示终端，门禁执行机构由步进电机及其驱动模块组成。通过对该控制系统的实验室调试，其性能可靠，工作稳定，满足设计总体要求。

关键词： RFID ；STC89C52；IC卡；MFRC522

Abstract：According to the current situation and development trend of entrance guard management based on RFID technology this paper studies a simple entrance control system. The hardware platform of the system is based on STC89C52 MCU. The identification and verification terminal is made up of S50 contactless IC card its read and write module MFRC522 or 4×4 matrix keyboard. The LCD12864 display module constitutes the display terminal and the access control execution mechanism is composed of stepping motor and its driving module. Through the laboratory debugging of the control system its performance is reliable the work is stable and the overall design requirements are satisfied.

Key words： RFID；STC89C52；IC card；MFRC522

引言

随着经济发展和社会进步，有关个人财产和人身安全的防护重要性已经获得了全社会的普遍高度认知与关注。为此，智能门禁控制系统也随即应运而生。其中，基于RFID技术的门禁系统已经发展成为一项功能先进的高科技防范技术和管理手段。在指定管理的区域安装门禁控制系统，人员的进出必需配备定制卡片或输入正确按键密码方可获准出入，这就大大提高了门禁管理的安全性，同时也方便了楼宇小区的内部管理。迄至目前，智能化门禁系统设计已成为安防科学技术的重点和热点研发方向之一[1-3]。

1 RFID技术概述

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别的技术，利用电磁感应、无线电波等进行非接触双向通信，以达到有效目标识别，并成功实现交换数据。时下，RFID技术已经应用到了电子商务、物流等诸多领域，而且当前的 RFID系统则设有低频、高频和超高频等3个工作频段，其工作原理就是利用电磁感应和电磁波发射[2]。在设计结构上，RFID均由电子标签、读写器和单片机三部分组成。RFID技术的主体构建框架即如图1所示[4]。

由图1可知，本次研究设计的电子标签、读写器是利用近场的电磁感应完成数据交换，单片机将用于数据的全面统筹管理。

2 智能门禁控制系统设计

基于RFID技术的智能门禁控制系统主要分为外围硬件系统和内部软件系统两个部分。当IC卡进入读写器接收范围后，读写器发出射频脉冲信号给IC卡提供能量。IC卡接收读写器发出的射频信号，凭借内部产生的感应电流获得能量发送出卡片中存储的信息，通过读写器的操作变换，再将信息返送至单片机展开有关数据处理，完成门禁管理[5]。

2.1 智能门禁控制系统需求分析

（1）硬件设计。非接触式IC卡射频识别系统和其外围电路以及与单片机模块接口电路设计；功能设定以及密码设置的4×4矩阵键盘电路设计；功能显示的LCD电路设计；开/关门步进电機控制电路设计。

（2）软件设计。基于RFID射频识别技术门禁控制系统可完成注册、刷卡、销卡、密码验证、重置密码的功能，所有功能通过液晶显示器提供显示。为能够满足上述所有功能预期，软件部分主要包括如下设计组成：

① IC卡识别、读卡程序；

② 4×4矩阵键盘程序；

③ 单片机内部EEPROM读写程序；

④ LCD12864液晶显示程序；

⑤ 步进电机正反转控制程序。

门禁控制系统软件采用C语言编制，包括非接触式IC卡读写程序、LCD显示程序、密码验证及重置程序等内容，采用模块化设计模式实现所有功能。

2.2 系统设计方案

本次研究的门禁控制系统在设计上由5部分组成，分别是：STC89C52单片机控制模块、射频识别技术（RFID）电路模块、4×4矩阵键盘模块、LCD12864液晶模块，还有步进电机控制驱动模块。系统整体设计方案如图2所示。

过程中，首先通过IC读卡模块MFRC522来识别IC卡，再把卡号数据上传给控制中心STC89C52单片机。单片机接收数据信息，根据内部EEPROM存储的卡号信息，核对卡号是否为已注册的卡号：若是，将发出开门指令，控制步进电机驱动模块TB6560操控步进电机正转，执行开门命令；反之，则发出关门指令，电机不工作。为方便未携带IC卡的用户快捷开启门禁，本系统另外可用4×4矩阵键盘输入密码，单片机调取内部EEPROM存储器中的匹配密码，核对密码是否正确，来实现门的开和关，同时也可以重置密码，所有的执行和操作都在LCD12864液晶上生成视像显示[6]。

3 门禁系统硬件设计

整个门禁系统完整的电路原理设计可如图3所示。

本系统采用STC89C52 单片机为控制核心，射频IC卡信息由MFRC522模块读出，通过单片机处理后在LCD12864上显示相关执行信息，同时也可以通过4×4矩阵键盘按键来切换执行密码验证和修改密码的功能。

这里采用8位并行接口方式对LCD12864进行操作，DB0～DB7与单片机P2.7～P2.0对接，STC89C52的P2端口作为显示数据的输入端口。EN、R/W、RS三个控制端与单片机P0.5～P0.7对接。

本系统使用4×4键盘实现密码输入验证及修改功能。AB0～AB7与单片机P3.0～P3.7对接，STC89C52的P3端口作为按键的输入端口。其中有10个键值为0～9的按键用来输入和设置密码，另外选取4个键值分别为11、12、13和15的按键通过软件程序，运行得到了功能界面上翻、功能界面下翻、密码按键退格消除及确定功能。

MFRC522模块的SCS、SCK、MOSI、MISO、RST接口与单片机P1.0～P1.4对接。门禁开关控制通过42步进电机模拟设计调试，驱动电路使用TB6560步进电机驱动板24 V电源供电，共阳接法控制，EN-、DR-、CR-接口与单片机P1.5～P1.7对接[7]。

4 门禁系统软件设计

本次研发系统的主程序流程如图4所示。

本系统的流程研发主要包括MFRC522读写IC程序和4×4矩阵按键识别和处理程序，显示部分用LCD12864液晶显示屏以并口方式传送数据实现刷卡、注销卡、输入密码、修改密码以及开门、关门文字发布显示，并把控制信号传送给执行机构、即步进电机，来调控开、关门的行为事件[8-9]。

5 门禁系统调试

门禁控制系统采用读卡器（MFRC522模块）来检测有无IC卡，对其进行识别，再用单片机来控制电机模块部分。同时，也可以通过密码来识别。系统调试过程可详见如下。

步骤一调到“3.IC卡登记”的界面，通过MFRC522读取卡号，将其保存到单片机的EEPROM中。刷卡登记界面如图5所示。

步骤二在“1.IC卡读卡输入”的界面，将卡放置在MFRC522模块上，读取卡号，并行调取单片机内EEPROM卡号后进行匹配，匹配正确就显示“成功”。此后就会启动电机，执行开门动作。正确刷卡界面如图6所示。

步骤三如果尝试去读取不匹配的IC卡，就会在液晶屏幕上显示失败和错误以及此时的卡号。电机也不会获得启动执行。错误刷卡界面则如图7所示。

步骤四在“4.密码设置：8位”的界面，主要针对出门时忘记带卡的场景。此时可以利用按键开门。这里设置密码为8个1，保存在单片机EEPROM内。密码设置界面如图8所示。

步骤五在“2.密码输入：8位”界面，输入最新设置的密码8个，就会显示成功。此时将启动电机，执行开门。密码验证界面即如图9所示。

6 结束语