基于多平台的RFID门禁控制系统设计

税科　冯好南

摘要：近年来，RFID自动识别技术发展迅速，考虑不同平台的不同特征，本文分别对Arduino、51单片机、树莓派三个平台进行实现与对比。通过已经注册的RFID射频识别卡进行识别，并建立通讯，实现不同平台对RFID卡的识别。

关键词：RFID；STC8C52单片机；Arduino；树莓派；门禁系统

1 引言

因多平台性能选择越来越多，人们对RFID开发的控制平台有着多种选择，系统的可靠性，成本的控制，开发周期长度都应予以综合考虑。因此为满学习者需要，满足人们对开发平台的选择需求，基于多平台的RFID门禁系统由此产生。

2射频识别卡与读卡芯片介绍

2.1 Mifarel射频IC卡

射频IC卡选用MIFAREMF1标准卡片，MF1是符合ISO/IEC1443A的非接触智能卡，卡片上除了IC微型芯片及一个高效率天线外，无任何其他元件。内有高速的CMOS、EEPROM、MCU等。8KBits的EEPROM存储器空间被划分为16个扇区，每个扇区4块，每块16个字节，以块为存取单位，工作频率为13.56MHz。卡片标准读写距离高达10cm，卡与读写器之间的通信速率高达106Kbit/s。

2.2 MF RC522读写卡芯片

MFRC522是Philips公司推出的一款非接触式低功耗读写基站芯片，集成13.56MHz下所有类型的被动非接触式通读方式和协议。MFRC522支持ISO14443A所有的层，传输速度最高达424kbps。内部发送器部分不需要增加有源电路就能直接驱动近操作距离的天线与ISO14443A/ MIFARE卡和应答机的通信。接收器包含解调和译码电路，用来处理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和应答机的信号。芯片具有充裕的64字节的发送接收缓冲区，内置CRC协处理器，带有灵活高速的串行接口I2C、SPI、Serial UART，方便连接到各类MCU。

3系统结构框架

本系统由中央控制计算机、多平台开发板、读卡模块、通讯模塊（RS485）、电控锁、门禁开关等组成。整个系统的核心部分是射频卡读卡器/发卡器，实现与射频卡的通信，并根据读卡信息控制电控锁的开闭，实现门禁系统管理等工作。本系统结构框图如图1所示。

读卡器是门禁系统的核心部分，非接触式读卡方式。持卡人只需要将卡片在读卡器感应区内快速晃动一下，读卡器便通过射频信号与IC卡通讯，认证密码，读写卡中的数据，并将其存入读卡器系统的储存器中。整个过程只要有效的刷卡范围内均可实现门禁管理功能。

本系统射频卡读卡器的设计由读卡模块、多平台的单片机、PC机及相应的辅助电路组成。读卡模块是该系统读卡器最重要的工作单元，读写芯片MFRC522、天线和天线耦合电路等组成。

3.1 基本工作原理

上电初始化后，读卡器一直处于寻卡状态，一旦检测到有卡进入感应区，单片机会控制读卡芯片发送出相关性的信号和射频卡之间开始通讯，读取射频卡的信息，然后单片机根据反馈的卡片信息输出电控制型号，控制电控锁实现门禁效果；同时，单片机还负责与电脑进行通讯，实时获取指令和传输系统的工作状态等功能。下面主要介绍多平台的性能比较的方面阐述整个系统的设计。

3.2 系统软件设计

该系统的软件包括单片初始化（定时器，串口和中断等），RS232通讯程序设计，MFRC522读卡串口通讯程序设计等。基于C语言设计操作函数；通过封装成头文件和源文件进行系统主程序调用。各个部分程序根据采用的平台不同，分别基于Arduino IED，Keil uVision4，eclipse 平台。

4 多平台实现门禁系统

4.1 基于Arduino开发板的实现

Arduino开发板大多数是基于AVR的8位单片机，常见的开发板基于Atmega328p芯片的UNO，NANO，MINI以及基于Atmega2560芯片的MEGA。Aduino有很强的扩展性，提供了丰富的接口。Arduino开发环境为Arduino IDE，是与硬件平台相比配的基础开发环境，基于Eclipse。官方自带语言、函数、库等，它把AVR单片机的相关设置都参数化，模块化的库，使开发者不必了解底层的编写就可以开发项目。

图3为基于Arduino开发板实现的门禁系统硬件连接图，通过MFRC522的编程控制接口与Arduino UNO相连。SCK---Digital 13，MOSI--Digital 11，MISO--Digital 12，IRQ--不用连接，RST--Digital 9。

4.2 基于51单片机开发板的实现

STC89C51是一种低功耗的CMOS 8位微控制器，使用MCS-51内核，具有512b RAM，8kb Flash，32位I/0接口，4个外部中断源，一个7位向量4级中断结构，3个16位定时器。单片机AT89C51的串口通讯有4种方式，可通过编程设置。编程开发环境选用Keil uVision4，它是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。

除复位电路、时钟电路、射频前端电路等常规外围电路外，单片机的P1.3-P1.7口和MFRC522进行数据通信。

4.3 基于树莓派开发板的实现

树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上。树莓派开发板接口结构为，在SPI、I2C、UART三种串行总线协议中使用SPI串行外设接口。SPI串行外设接口：SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，速度可达到几Mbps。

图4为基于树莓派开发板实现的门禁系统硬件连接图，SDA、SCK、MOSI、MISO、RST接口分别连接树莓派的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 总结

本文在RFID技术相关理论的基础上，结合电路设计和软件编程方面的知识，设计出了多平台的门禁系统。读卡器硬件主要由读卡芯片MFRC522、射频天线、RS232通讯接口以及多平台微控制系统组成，能读写Mifarel非接触式IC卡。进行多平台的设计，提高了用户的选择性，经测试，不同平台性能优异，同时具有安全性，用户使用方便，合理管理和控制成本等优点，对将来应用提供了良好的参考。

参考文献：

[1]王海燕，束峻峰，束海燕，刘仁朋.RFID门禁系统阅读器设计[J].上海电力学院学报，2010，26（03）：287-291.

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[3]朱正伟，顾浩.基于AVR单片机的多功能门禁控制器的设计与实现[J].常州大学学报（自然科学版），2012，24（04）：58-62.