基于RFID门禁系统的设计 - 图文

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基于RFID门禁系统的设计

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作者：** 指导老师***

1绪论

1.1课题研究的背景

射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。同时，经济水平的高速发展让人们越来越关心建筑内部的安全性。为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，门禁系统应运而生。门禁系统集电脑技术、电子技术、机械技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。本文研究的基于射频识别技术的门禁系统就是这样的一种系统[1]。

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1.2课题研究的意义

当今科技飞速发展，给人们带来利益的同时，也带来了不法份子利用高科技进行盗窃、抢劫和犯罪等问题。怎样才能使人们的安全防范措施跟上科技的发展、有效的阻止这些犯罪行为呢？仅依靠普通的防盗门、门锁和监控是不够的。原始的安防措施就是把门锁上，由人巡逻保证安全，随着科技的进步，智能化的门禁系统已成为现代化管理的重要手段。智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自动识别技术和现代安全管理措施结合起来。在社会财富不断增长的今天，建筑物内的主要管理区、出入口、贵重物品的库房、设备控制中心、电梯口等重要部门的通道口都需要加强安全防护措施，这就需要开发出与之相对应的智能门禁系统，识别出入口人员的身份，对出入口进行控制。本课题提出了基于射频识别的门禁控制系统，具体分析和研究了其中的一个重要部分“门禁控制系统”。门禁控制系统作为居民人身和财产安全的重要措施，其研究结果具有深远的现实意义[2]。

1.3门禁系统国内研究状况

我国本土厂商（如爱迪尔、华本、芯微）等已经成功研发了指纹识别芯片，

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国内对门禁系统的研究已经从认识研究阶段发展到自主研究阶段，而在系统的结构方面，国内的门禁系统的核心就是控制器，门控器大多由国外企业开发研制，但国内大部分厂家对门禁系统的研究仍然处于仿制阶段，没有对门禁系统核心技术惊醒自主研究开发[4]。

2 RFID门禁系统理论基础 2.1射频识别技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是从八十年代逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。射频识别是无线电识别的简称，它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别等高新技术，顺应了电子商务、交通运输、物流管理的发展需要。是当前最受人们关注的技术之一。射频识别技术具有非接触、自动完成识别过程、不易损坏、可识别高速运动物体、数据存储量大等优点，极大地加速了有关信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展[7]。

2.2. 射频识别技术原理

通常情况下，RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的， 其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而RFID卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路芯片及其外接天线组成，其中RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。

RFID 应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。可见，RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。一方面，无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了RFID 卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式[8]。

2.3 射频识别系统的结构

射频识别系统的典型结构主要是由两部份组成：读写器和射频卡。

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读写器数据天线射频卡收发模块天收发模块 控制模块线能量控制模块存储器接口模块计算机图2-2 RFID系统结构

RFID卡中有存储器，可以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数据可以是RFID卡序列号，它是用来作为RFID卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在EEPROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。RFID卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。RFID卡分无源卡和有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。读写器内的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。计算机的功能是向读写器发送指令，并与读写器之间进行数据交换[9]。

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2.4射频识别系统的结构

门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。因此，系统的设计应遵循下列原则：

(1)实用性 门禁系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需要偏离太远。因此，系统的实用性是首先应遵循的第一原则。

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(2)实时性 如果门禁系统中任何一个关键系统出现差错或停机将直接影响到整个系统的运作情况。因此，门禁系统各子系统应尽可能属于不停机系统，以保证工作正常运行。

(3)完整性 一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志。功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。

(4)系统的安全性 门禁系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全标准，并可在非理想环境下有效工作另外，系统安全性还应体现在信息传输及使用过程中，不易被劫获和窃取等方面。

(5)可扩展性 门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化因此门禁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，亦即：可灵活增减或更新各个子系统，满足不同时期的需要，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。

系统设计时，对需要实现的功能进行了合理配置，并且这种配置是可以改变的，设置甚至在工程完成后，这种配置的改变也是可能的和方便的。系统软件根据需求进行相应的升级和完善。

(6)易维护性 门禁系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行。系统的运转真正做到开电即可工作，插上就能运行的程度。从计算机的配置到系统的配置，都充分仔细地考虑了系统可靠性\在做到系统故障率最低的同时，也要考虑到即使因为意想不到的原因而发生问题时，保证数据的方便保存和快速恢复，并且保证紧急时能迅速地打开通道。整个系统的维护是在线式的，不会因为部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。

(7)稳定性 门禁系统和我们的生活和工作联系非常紧密，门禁系统的职能是保护人身和财产的安全，一旦系统开始工作就要求连续不间断的运行，所以稳定性对于门禁系统来说就显得非常重要[10]。

2.5本论文拟解决的关键问题与解决方法

本文研究RFID的门禁系统设计，用51单片机实现小区刷卡开门，当RFID为合法卡时可以开门进入，否则无法进入，并且有期限管理。 2.5.1拟解决的关键问题

1)怎样刷卡，采集卡号；

2)怎样判断RFID卡是否合法，能够开门； 3)怎样控制卡号是否到期； 4)怎样控制门的开关。 2.5.2解决方法

1)用STC89C52RC单片机控制FM1702Sl高频读卡器实现刷卡，读取卡号，

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卡号及看门状态会用LCD1602液晶显示屏显示；

2)采用实现将RFID卡号保存到存储器EEPROM中的方法来进行注册，刷卡时查询存储器的卡号是否存在，若存在则合法开门；

3)采用定时器DS1302进行时间设定，时间到期后需重新注册；

4)采用单片机控制步进电机模拟开门，当卡号合法时步进电机转动开门，此外还需要红外传感器判断刷卡者是否通过，若通过则关门，步进电机反转。

3.门禁系统的硬件电路设计

此次设计的门禁系统主要有读卡模块、单片机控制模块、步进电机电路、红外传感器模块、存储模块、定时器、蜂鸣器提示电路、显示电路。其中高频读卡器模块FM1702Sl能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式RFID卡，读卡距离约10cm。控制模块采用STC89C52RC单片机，它具有8K可编程Flash存储器。

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3.1 FM1702SL读卡器

FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，适用于各类计费系统的读卡器的应用。尤其FM17XXL系列芯片，其三路电源的最低工作电压均可达2.9V，这一特性优于其他公司的同类产品[11]。本文中FM1702Sl读卡器主要是通过SPI总线协议，下面主要对它进行介绍。

3.2 SPI总线协议

SPI（串行外设接口）总线系统是一个同步串行外设接口。由于SPI系统总线只需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件，而并行总线扩展方法需8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因而SPI总线的使用可以简化电路设计，提高设计的可靠性[12]。

SPI工作原理如下，电路包括3个主要部分：移位寄存器、发送缓冲器和接收缓冲器。其中，发送缓冲区与数据总线相连，可以由用户程序写入欲发送的数据，然后自动向移位寄存器装载数据；接收缓冲器也与数据总线相连，可以由用户程序读取接收到的数据。移位寄存器负责收发数据，他有移入和移出两个端口，分别与收和发两条通信线路连接，与通信对端单片机的移位寄存器，恰好构成一个“环形”结构。SPI接口工作可分为半双工通信和全双工通信两种操作过程。

3.3 Mifare射频卡介绍

本文中采用的RFID卡为Mifare卡，其核心是Mifare1IC S50系列微芯片。Mifare的主要指标

1)容量为8K位EEPROM

2)分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位

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3)每个扇区有独立的一组密码及访问控制 4)每张卡有唯一序列号，为32位 5)具有防冲突机制，支持多卡操作

6)无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 7)数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次 8)工作频率:13.56MHZ 9)通信速率:106KBPS

10)读写距离:10mm以内（与读写器有关） 首先卡与读写器的通讯为：

(1)复位应答 Mifare卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。

(2)防冲突机制 当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

(3)选择卡片 选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。 (4)三次互相确认 选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）

其次系统的工作方式为：

STC89C52RC控制FM1702SL，驱动天线对Mifare卡进行读写操作；然后根据所得的数据对其他器件进行操作，如当刷卡成功时要把卡号存到存储器EEPROM，以便判断卡号是否合法刷卡开门。整个系统由5V电源供电。

最后它的工作原理为：

系统数据存储在无源Mifare中。读写器的主要任务是传输能量给Mifare卡，并建立与之的通信。单片机控制FM1702SL，读取RFID中的卡号，单片机再控制存储器EEPROM将其接收到的卡号保存，这就是注册模式。在正常情况下读卡器一只检测是否刷卡，并判断RFID卡是否合法，已注册的卡则可以开门，式步进电机转动[13]。

3.4 串行EEPROM存储电路

通过读卡模块FM1702Sl可以读出RFID卡中卡号，要想实现RFID卡的注册，只要把读出的卡号保存起来，下次再刷卡时则与保存起来的卡号对比，如果相同则说明是已注册过的RFID卡，即注册过的卡具有合法性可以开门。因此要把卡号存入存储器EEPROM中，实现对于RFID卡的登记。

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此次设计中我们选用串行存储器。在此设计中选用AT24C02，它与更高容量的存储器兼容，出现问题时易于更换。AT24C02由SCL、SDA引脚进行串行通信的读写存储器。AT24C02与单片机的接口电路如图所示：

图3-4 AT24C02与单片机连接电路

AT24C02与单片机连接的线是： 1)SCL接单片机的P2.1，同步时钟输入。 2)SDA接单片机的P2.0，串行数据输入/输出。 3)WE接地，写保护脚，WE=0芯片允许读写操作。 4)E0，E1，E2接地，芯片地址引脚，都要接固定电平。

3.5 时钟芯片

此次门禁系统设计要求能够实现期限管理，即对于RFID卡实现期限管理，本已注册过的RFID卡在一段时间之后会无法开门，它的合法性受到时间的限制。因此要想实现此功能需加入时钟芯片达到计时效果，门禁系统开机后，时钟芯片便

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会计时，可以在程序中设定时间当时钟芯片到达指定时间后，便会使存储器清空，清除注册过的卡号，从而达到RFID卡的期限管理效果。

图3-6 时钟芯片与单片机连接电路

本次实际中所用到的时钟芯片是DS1302，它拥有31个字节的静态RAM和实时时间，通过简单的串行接口连接可以与单片机进行实时时钟通信。提供秒、分、时日、日期、月及年份信息，每月的天数和闰年的天数都会系统自动调整计算。 DS1302时钟芯片与单片机之间的信息传递通过简单地同步串行的方式进行通信，仅需用到 RES 复位、 I/O 数据线、SCLK串行时钟。 其与单片机的连接方式如图3-6所示；

3.6 红外传感器

当RFID卡能够开门时，即该卡已经被注册后，再次刷卡后步进电机就会转动模拟开门效果，然而开门之后什么时候关门便值得思考。一定要保证刷卡者确实已通过，不会造成在进门过程中突然关门，因此要加入红外传感器时时监测是否刷卡者已通过，当检测不到障碍物时才使步进电机反转回原来位置，形成关门效果。该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管， 该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用非常方便等特点。

3.7 电路仿真图演示

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4.门禁系统的软件设计

当今单片机编程使用的语言一般为汇编语言和C语言。采用汇编语言编程的优点是代码生成效率高，程序运行速度快；缺点是程序的可读性和可移植性比较差，而且用汇编语言编写单片机应用系统程序的周期长，调试和排错比较困难。C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它既可用来编写计算机的系统程序，也可用来编写一般的应用程序，用它编写的程序，具有较好的可读性和可移植性。美国Keil Software软件公司的编译器可以直接对单片机的内部特殊功能寄存器I/O口进行操作，直接访问片内或片外存储器，还可以进行各种位操作，能够产生简洁、高效率的程序代码，在代码质量上可以与汇编语言相媲美。因此在本文中使用C语言进行门禁系统的程序设计。

4.1 门禁系统软件设计模块

本次门禁系统设计中的程序是由多个模块组合起来的，有LCD1602液晶显示模块来进行显示操作，由于要实现期限管理，所以要有定时器DS1302时间记录模块。此外，因为要把卡号存入存储器EEPROM中，所以有存储模块程序。该设计用步进电机和红外传感器模拟开门，所以有开门模块。

4.2 门禁系统主程序介绍

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编写门禁系统的程序首先要编写核心程序，门禁系统工作的核心内容就是刷卡，门禁系统从本质上来说就是刷卡开门，只有能够刷卡后，才能对其他器件进行操作，一步一步拓展，不断完善其他功能。

4.3 读卡过程及程序设计

读卡器软件编程实现对RFID卡的一系列操作，主要有：防冲突程序、卡片的读写程序以及对卡片数据块的操作等。读卡程序的设计思想是在上电初始化后，射频场一旦检测有Mifare卡进入射频天线的有效范围，读卡程序按顺序启动防冲突程序和认证程序，验证成功后最后操作卡片读写程序。 4.3.1 寻卡

由于Mifare1卡是一种以被动方式工作的卡，进入射频区的Mifare卡上电后进入IDLE状态，它通过吸收感应区内的磁场能量进行工作，不会主动发出信号。读卡器必须不间断地向外发出请求信号，符合条件的卡只有在接收到请求信号之后才会进行响应（应称为响应卡）。

程序中用函数不断向外循环发请求信号，检查感应区是否有符合条件的卡，一旦有符合条件的卡进入并被选中，程序退出循环请求过程，进入防冲突过程。4.3.2 选择卡片

选择卡片就是根据已知的序列号读出卡的容量编码。只有经过这一步骤后才算真正选中了一张卡，以后的操作都对这张卡进行。选择卡片指令是很重要的，而且必须首先被使用，因为卡片只有先被选中了，然后才能进行读、写等操作。选择卡片过程是通过Select_Card( )函数实现的 4.3.3 验证

在对所选Mifare卡进行读、写之前，必需对Mifare卡进行验证，也即检查卡的合法性，这可以通过将存储在FM1702SLRAM中的密码集中的一组密码与Mifare卡片上的密码进行比较实现，如果它们匹配，说明所选Mifare卡合法，则卡的验证成功，允许对卡进行读、写操作。验证卡片的过程是通过Authentication( )函数实现的。

4.4 其他程序设计

4.4.1 按键控制程序设计

由于本次门禁系统设计要对RFID卡进行注册，识别，并且有期限管理等多种操作，所以要通过按键来实现多种模式的切换 4.4.2 定时器模块程序设计

该门禁系统不但要求能够清除卡号，而且要有期限管理来控制RFID卡的合法性，也就是说要使已经合法的RFID卡到一定时间之后会无法刷卡开门，因此我用定时器DS1302来完成此项功能。给定时器设定一个初始时间，门禁系统开

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始运行时定时器时间开始增加，程序中设置一段时间，当到达设定时间时单片机就会控制存储器EEPROM使存储内容清除，从而使RFID卡无法开门，达到期限管理的目的。

4.4.3 存储程序设计

存储器EEPROM采用AT24C02，主要的用途是把在注册模式下所刷的RFID卡的卡号保存起来，使RFID卡合法化。已经保存的卡号则为合法卡，可以开门。保存卡号的过程是在注册模式下完成的，当LCD1602显示“Register Mode”此时刷卡存储器便会保存卡号完成注册， 4.4.4 开门模块程序设计

本次门禁系统设计，采用步进电机转动的方式来模拟刷卡之后的开门，但是我对开门之后什么时候关门这个问题思考了很久。因为必须等到刷卡者进入之后才可关门，不能太早关门，当然也不能刷卡者进入之后很长时间还没有关门。最后决定加入红外传感器这个器件，他的输出端与单片机I/O口相连，当他检测到障碍物时输出端会有一个低电平信号，此时单片机控制步进电机不关门即不回转，而当是输出端为高电平时则关门，形成一个开门系统。

4.5 程序编译与调试

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起，本文中调试用的是Keil uVision3版本。

运行Keil uVision2程序后，点击Project->New Project菜单，输入工程名称，这里为rfid.Uv2，在弹出的对话框中选择目标单片机，Keil支持的单片机很多，这里我们选择STC89C52RC芯片，确定后可以发现工程窗口出现“Target1” 和下一层“Source group1”的文件层次，在Source group1下添加我们编写的程序。

4.5.1程序编译调试

在编好程序后就要进行编译调试，首先在Project->Option for target‘target1’的对话框中完成工程的详细设置。在设置好工程后即可编译链接，图4-11为程序编译结果：

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致 谢

本次我的毕业设计课题是“基于RFID的门禁系统设计”，经过三个多月的不懈努力，我终于基本完成了毕业设计的任务。我通过查阅大量相关技术和文献资料，并多次进行实践动手调试和问题探究，最后通过51单片机完成了基于RFID的门禁系统设计工作，设计初期查阅了大量资料，了解课题设计的内容与基本原理，从而为门禁系统设计方案的选择打下基础。在此次设计中我做了许多工作，硬件方面我不断选取和比较，寻找合适的器件和电路连接，不断尝试性的完善功能，并且学习了Proteus软件，画出了电路原理图。软件方面复习了C语言编程技巧，尝试不断的编写及改善程序，熟练运用Keil软件，一步一步不断完善门禁系统的功能实现。此次门禁系统设计完成了如下功能，首先可以通过按键控制使门禁系统有3中工作模式：刷卡模式；注册模式；清除模式。然后可以通过把RFID卡卡号存入EEPROM的方式来完成RFID卡的注册，当再次刷卡时单片机比较卡号，若卡号相同便会开门。其次由于要实现RFID卡的期限管理，因此可以通过时钟芯片设置时间，当到达指定时间便会清除存储器数据，实现期限管理。最后用步进电机转动来模拟开门，并且加入红外传感器模块，检测刷卡者是否通过，以便选择关门时间，虽然本次设计的门禁系统基本完成了设计时预想的功能，但由于时间，学识以及个人能力的限制所设计的门禁系统还存在许多不足，还有许多可以完善的地方，许多功能有待改进。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yiy2.html