基于射频识别技术的小区智能门禁控制系统本科论文.docx
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基于射频识别技术的小区智能门禁控制系统本科论文
题目基于射频识别技术的小区智能门禁控制系统
学生姓名学号
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电子1205
指导教师________
完成地物理与电信工程学院实验室___
2016年6月12日
毕业论文﹙设计﹚任务书
院(系)物理与电信工程学院专业班级电子1205学生姓名
一、毕业论文﹙设计﹚题目基于射频识别技术的小区智能门禁控制系统的设计
二、毕业论文﹙设计﹚工作自2016年1月10日起至2016年6月15日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:
陕西理工学院
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求:
射频识别技术(RadioFrequencyIdentification:
RFID)是一种非接触式的自动识别技术,它通过无线射频识别IC卡内的信息,整个过程无需人工操作和监管。
采用单片机作为控制核心,设计一个基于RFID的小区智能门禁控制系统。
由键盘输入模拟读卡器数据,通过输入密码与设定密码对比,可实现对通道进出权限的控制(密码输入进门的控制);在异常情况下(非法侵入、门超时未关)可实现自动/手动报警。
(应包括方案设计、比较与论证、分析与仿真验证、相关设计文件以及心得体会等)。
五、毕业论文﹙设计﹚应收集资料及参考文献:
收集门禁控制系统、单片机编程等方面的专业资料,阅读和学习下列参考文献:
[1] 陈国栋 基于射频识别技术的门禁系统研究与设计[D]. 长沙:
中南大学.2005.01.
[2] 黄菊生 基于智能IC卡的网络门禁系统设计与开发[D]. 长沙:
湖南大学.2003.10.
[3] 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京:
北京航空航天大学出版社.2003
[4] 王恒奎等.非接触式智能卡系统及若干关键技术[J].电子技术应用.1999.12. 36
[5] 黄智伟,陈和采用射频识别技术的门禁系统设计[J].电子工程师.2001,21
(1).134-136 .
[6] 沈树群,沈宁超.射频识别技术及其应用[J].国际自动识别技术研讨会论文集.1997.42-52
[7] 李朝清.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
六、毕业论文﹙设计﹚的进度安排:
1月10日——3月20日:
查阅资料,完成外文翻译原文和开题报告。
3月21日——4月20日:
完成模块设计及仿真并提交中期检查报告。
4月21日——5月20日:
完成整体设计仿真并联调,准备毕业设计验收。
5月21日——6月15日:
撰写、修改毕业设计论文,准备并完成答辩。
指导教师签名系(教研室)主任签名
专业负责人签名批准日期
基于射频识别技术的小区智能门禁控制系统
(陕西理工物理与电信工程学院电子信息工程专业1205班,陕西汉中723000)
指导教师:
【摘要】本文设计了一种采用RFID技术的高安全性的智能门禁系统,是通过RFID认证快速确认人员的真实身份的智能门禁系统。
当IC卡进入门禁系统的检测范围时,系统会自动获取身份信息确定该使用者是不是合法用户,并且记录进出人员的信息,对非法闯入者发出报警信号。
门禁系统从智能建筑的应用出发,首先介绍了射频识别技术的概念、分类及工作原理,然后介绍了本次使用的射频芯片MFRC522。
硬件部分以MFRC522射频识别模块为核心,结合主控模块STC89C52设计系统的外围硬件电路,实现对射频卡的控制与MCU之间的通信。
软件部分采用C语言进行系统程序的开发,完成与IC卡之间的通信,实现数据交换功能。
【关键词】射频识别门禁系统MFRC522STC89C52
Districtintelligententranceguardcontrolsystembasedonrfidtechnology
LiYang
(Grade12,Class1,MajorelectronicsandinformationengineeringCollegeofphysicsand
TelecommunicationEngineering,ShannxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,shannxi)
Tutor:
WangTing
Abstract:
ThearticledesignedauseofRFIDtechnologyinhigh-securitysmartaccesscontrolsystem,istheRFIDcertificationquicklyconfirmthatthestaffofthetrueidentifyofintelligentaccesscontrolsystem.WhenICcardentertheaccesscontrolsystemforthedetectionrange,thesystemwillautomaticallyobtainidentityinformationtoidentifythepersonusingthemisnotalegitimateusers,andrecordentryofinformation,ontheillegalintruderalarmsignal.OnthebasisofthedevelopmentofEntranceGuardSystem,atfirst,generallyintroducestheRFIDtechnology,includingitsconcepts,categoriesandworks.ThenitintroducestheRFchipMFRC522usedinthissystem.ThehardwarepartbasedontheRFIDmoduleMFRC522,combinedwithmaincontrolmoduleSTC89C52todesigntheperipheralhardwarecircuits,makethecommunicationbetweenthecentralcontrolmachinecometrue.ThesoftwarepartusesCprogramminglanguagetodesignsystemprogrammingandcompletedaread/ICcardissuingdeviceandthecommunicationbetweenthedataexchangecapabilities.
Key words:
RFIDAccess Control SystemMFRC522STC89C52
目录
1绪论1
1.1课题研究的背景及意义1
1.2门禁系统国内外研究现状1
1.3射频识别技术简介2
2门禁系统总体设计4
2.1系统需求分析4
2.2系统总体方案设计5
3门禁系统的硬件设计7
3.1微控制器STC89C52电路7
3.2射频读写芯片MFRC52210
3.3LCD12864液晶屏11
3.4蜂鸣器电路与LED灯电路14
4门禁系统的软件设计15
4.1软件设计方法与设计语言选择15
4.2KeilC51开发系统15
4.3系统软件模块化设计16
总结21
致谢22
参考文献23
附录A外文翻译24
附录B硬件电路图31
附录C源程序32
附录D硬件实物图61
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
当今社会经济与科技飞速发展,信息化、网络化已成为当今时代的突出特征,人们不仅享受着高科技带给他们的极大便利,同时,对于也对科技水平的要求也越来越高。
这几年我国经济水平飞速提高,社会财富不断聚集,因此对于建筑的安全防护系统要求也越来越高。
传统的门锁系统远不能满足现代社会的需求,智能门禁系统因此也应运而生,它能有效地提高楼宇的安全性,打破了传统的由人来看门的工作方式,它为用户提供了便捷、高效的管理,极大地便利了人们的工作和生活。
传统的钥匙容易丢失,而且很容易被复制,一旦钥匙被复制,那么整个门禁系统将完全失去作用。
智能门禁系统将射频卡与锁相结合,用智能卡替代传统的钥匙,解决了传统门锁的一些不足之处。
门禁系统又称为门禁出入保安自动化管理系统,它以计算机为桥梁,结合小区、宾馆、公司等部门的管理特点,将智能建筑大门以及一些比较重要的房间选择性安装智能门禁系统,能够对出入口进出人员以及他们的进出时间等进行实时控制,继而能实现对出入口的智能化控制。
这个平台通过增设其它的部件可以衍生出车辆进出控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制等系统,从而发挥一卡多用的功能,极大简化了管理手段。
现阶段,智能门禁系统已经越来越融入到人们的生活中,它在便利性、易于管理性、安全性等方面都有着出色的表现。
门禁系统已经不仅仅是传统的门以及钥匙的代替品,而是为了方便人们管理和生活形成的越来越趋于完善的智能系统,它现在而且在将来必定会在人事考勤系统、工作安全性等管理领域中扮演着重要角色。
1.1.2课题研究的意义
随着科技的飞速发展,人们获得利益的同时也带来了一些不法分子利用高科技产品实施盗窃犯罪的问题。
所以,仅仅依靠传统的门锁、防盗门已经阻止不了罪犯的入侵。
于是,门禁系统的研究具有就有了用武之地,它可以有效地成为现代化管理的重要手段。
非接触式IC卡作为21世纪具有发展潜力的十大高科技技术之一,为安防领域带来了极大的市场机遇,它将在智能楼宇、身份识别、公共交通等诸多领域发挥重要的作用。
此外,根据美国当局的调查结果显示:
美国门禁系统设备销售额占到整个公共安全行业市场销售额的57.8%,而其它报警设备销售总额之和却仅仅占39.2%[]。
由此可见,研究和开发智能门禁系统的意义非比寻常。
1.2门禁系统国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对IC卡的研究和应用较早,并且安全性较高。
特别是欧美国家,其门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段,涌现了许多知名品牌,例如美国的MOTOROLA和HID、英国的CHUBB、以色列的SERVANT、韩国的SUPERLOCK等。
他们的产品技术高、系统稳定、安全性高,占据市场较大份额。
而且,国外门禁企业有充足的研发经费支持,产品换代比较快。
通常,欧美等国的门禁产品已经经过多次改进,功能强大而且性能好,但是开发成本较高。
非接触式IC卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中,但真正形成大批量生产的厂家只有美国;德国、英国次之;日本、台湾、新加坡处于同一档次。
如今在世界上,非接触式IC卡生产产品的主流是Philips公司的Mifare技术,已经被制定为国际ISO/IEC14443TypeA标准。
欧洲一些IC卡及读卡器制造商大都以Mifare技术为标准发展自己的IC卡事业[]。
1.2.2国内研究现状
国内从事门禁系统研究和生产的主要有华润达实、门吉利等公司。
但是,门禁系统不论在技术上,还是在市场等各个方面都远远落后于国外。
大部分厂家对于门禁系统的设计和制造往往都是在国外已有的系统基础上进行改造。
门禁系统在中国的发展已有十几年了,随着国内科技的进步,以及对国外门禁系统的研究,国内的各个门禁品牌也都相对成熟起来。
但是,怎样提高门禁系统的稳定性与安全性,怎样将监控、报警系统与门禁系统完美结合,这逐渐成为人们关注的又一问题。
目前门禁系统产品的优势体现在:
(1)成本低——国内门禁产品的价格比国外门禁产品低很多。
国内产品大都是模仿国外设计而生产的,所以设计费用投入相对较少,而且国内产品大多采用低端元器件和低端生产工艺,投入研发资金少,软件甚至不用专门研发。
还有国内员工工资比国外低,国内售后的维修迅速且成本低。
(2)本土优势——本地企业对本地用户的实际使用需求了解,对本国的市场发展和动向掌握更明确,对售后服务的需求更加了解。
(3)产品服务完善——本地企业可以根据客户实际情况随时和客户协商产品要求,比如,可以按照客户的临时要求迅速改变策略以满足用户的需求,现实中很多企业将消费等很多应用迅速集成到一张门禁卡上,一般成为“一卡通”,很多企业都实现了按需求定制功能[]。
1.3射频识别技术简介
1.3.1射频识别技术
射频识别(RFID,RadioFrequencyIdentification)技术作为快速、准确的采集信息和处理信息的技术,被世界列为21世纪十大重要的科技之一,在生产和物流等领域有着广阔的应用前景。
它逐渐成为企业提高电子商务和物流的管理水平、实现管理信息化和提高企业竞争力的不可或缺的工具和手段。
它是利用电磁感应或者微波进行非接触双向通信,通过电磁场实现非接触信息的传递,根据传递的信息,达到交换数据和识别目的的技术[]。
1.3.2射频识别技术的原理
射频识别技术的基本工作原理是:
IC卡进入到读写器的磁场后,接收读写器发出的射频信号,凭借得到的感应电流所获得的能量而发送出存储在芯片中的信息,应答器读取信息并解码后,送至CPU进行有关数据处理。
图1.1射频识别系统原理图
完整的射频识别系统是由读写器、应答器及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是读写器发射特定频率的无线电波能量,利用驱动电路将内部的数据传送出去,此时读写器便能接收解读数据,然后送给应用程序做相应的处理。
从阅读器和应答器的通讯以及能量感应方式来看大致上可以分为:
感应耦合及后向散射耦合两种。
一般低频的射频识别大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。
1.3.3射频识别技术的分类
射频识别系统的分类主要有以下几种:
(1)根据射频卡的有无电池,可以分为有源系统和无源系统。
有源系统中的IC卡内装有电池,具有较远的读写距离,电池的容量决定使用的寿命。
而无源系统中的IC卡内没有电池,一般识别距离比较短,但是相对有源系统寿命较长,对工作环境要求也不高。
(2)按工作方式的不同可以分为主动式和被动式。
主动式系统主要应用于有障碍物的应用中,距离很远;被动式系统主要应用于门禁或交通应用中。
(3)根据系统采用的频率不同可以分成高频系统和低频系统。
高频系统的工作频率一般大于400Mhz,典型的工作频段有:
915Mhz、5800Mhz等。
高频系统的基本特点是读写器及电子标签的成本较高、感应距离较远、标签内保存的数据量较大、外形一般为卡片状。
低频系统的工作频率一般小于30Mhz,典型的工作频率有:
125Khz、13.56Mhz等。
低频系统的基本特点是成本较低、感应范围较小、电子标签内存储的数据量较少,尤其无源情况,与读卡器距离约为10cm时才可感应。
电子标签外形多样:
卡状、环状、笔状,不适合高速运动的物体[]。
(4)按射频卡读写方式的不同可以分成可读写卡、一次写入多次读出卡和只读卡。
读写卡和只读卡相比,写入数据所花费的时间远大于读取数据所花费的时间,而且成本较高。
只读卡存有一个唯一的号码,只可读取,不能修改。
尽管安全性较高,但是用途十分有限。
2门禁系统总体方案设计
2.1系统需求分析
在选择硬件方面,主要由非接触式IC卡、读卡模块、控制模块组成。
在软件方面主要实现三者间的通信以及读卡器和计算机之间的通信功能,并将RSA算法应用于读卡器读写卡片,通过RSA数字签名技术实现数据传输的安全性。
2.1.1非接触式IC卡的选择
1、非接触式IC的简介
非接触式IC卡又称射频卡,由感应天线和IC芯片组成,并将它们封装在一个标准的卡片内。
射频卡是最近几年发展起来世界上的一项新技术,它成功的将IC卡技术和射频识别技术结合起来,克服了不接触和无源这一难题,是电子器件领域的一个重大的突破。
IC卡片在一定的距离范围内接近读写器的表面,通过读写器发出的无线电波的碰撞与反碰撞来完成数据的读写操作。
2、非接触式IC卡的分类及选择
非接触式IC卡又可分为:
(1)射频加密卡(RFID)又称为ID卡,通过无线电波可以完成射频卡的信息存取。
主机和射频之间没有机械接触点,比如HID,INDARA,TI,EM等。
大多数学校使用的饭卡(厚度比较大的),门禁卡,属于ID卡。
(2)射频储存卡(RFIC)又称为非接触IC卡,也是通过无线电来存取信息。
射频储存卡利用的存储卡的特点,并在存储卡基础上增加了射频收发电路,例如MIFAREONE。
城市早期使用的公交卡,学校使用的饭卡、热水卡,属于射频存储卡。
(3)射频CPU卡(RFCPU)又称为有源卡,它是利用了CPU卡的特性,增加了射频收发电路。
射频CPU卡的所采用的集成电路中有微处理器(CPU)、存储单元(ROM、RAM、FLASH、EEPROM)以及自己的操作系统。
金融IC卡,大城市公交卡,以及极少数学校用的饭卡,属于射频CPU卡。
在门禁系统的设计基础上,本文将RSA算法应用于门禁系统用户的加密。
智能IC卡需要将用户信息通过RSA算法进行加密,这就要求IC卡有实时动态随机生成大素数以及随时改变加密密钥的功能,所以必须选择使用射频CPU卡。
2.1.2射频读写芯片的选择
射频模块极其重要,是读写器系统不可或缺的模块之一。
在门禁系统中,射频模块和智能IC卡进行信息交互时,根据射频卡的不同类型射频读写模块采用的芯片也不同。
由于Philips公司在智能卡行业的主导地位,射频读卡模块也采用Philips公司生产频率为13.56Mhz的射频处理基站芯片开发。
表2.1非接触式IC读写芯片的选型
型号
最大工作距离(mm)
主机接口
ISO14443A
ISO14443B
ISO15693
Mifare协议
市场平均价格(元)
MFRC500
100
8位并行
Y
Y
15
MFRC530
100
8位并行SPI
Y
Y
30
MFRC531
100
8位并行SPI
Y
Y
Y
30
CLRC632
100
8位并行SPI
Y
Y
Y
Y
40
MFRC522
80
SPI、I2C、RS232
Y
Y
10
MFRC523
80
SPI、I2C、RS232
Y
Y
Y
22
SLRC400
100
8位并行
Y
23
根据表2.1所示,射频读卡芯片符合性能要求且价格适中的就是MFRC522射频读卡芯片,因此本文选择使用MFRC522射频读卡芯片。
2.1.3控制器的选择
控制器的选择从无操作系统角度主要分为单片机和ARM两种类型。
可以搭载操作系统的ARM处理器在功能上毋庸置疑比较强大,但由于ARM处理器开发板比较昂贵,而单片机的调试仿真工具非常便宜且普遍,从成本方面考虑,本文选择采用单片机作为控制器。
STC89C52作为学生比较熟悉的芯片,该单片机的内部ROM为8KB,相比STC89C51多了4KB。
又因为它的内部RAM(256B)也比STC89C51单片机(128B)多了128B,这样就尽可能不会引起存储空间不足,不必进行存储器的扩展,大大简化了设计工作,而且也减少了因扩展内存的成本价格;另一方面,STC89C52单片机拥有8个中断源,3个定时/计数器,满足使用需求,因此我选择较为熟悉且简单的STC89C52芯片。
2.2系统总体方案设计
2.2.1方案选择
方案选择主要有联网型和不联网型。
联网型:
结构图如图所示
图2.1联网型结构图
联网型门禁系统的优点:
(1)实时联网
(2)刷卡成功后立即把卡信息传输到电脑上;
(3)便于查询并能生成报表。
联网型门禁系统的缺点:
(1)计算机要求24小时开机;
(2)计算机或管理机万一有故障系统瘫痪;
(3)有问题影响面大。
不联网型门禁系统的优点:
独立的刷卡机就能自己工作,不需要很多布线,操作方便。
不联网型门禁系统的缺点:
不便于查询。
根据以上分析的结果,由于不联网型设计简单,制作实物方便,易操作,本文选择了不联网型。
2.2.2总体方案设计
基于射频识别的智能门禁系统具有高安全性和高智能性。
它不需要他人的干涉就可以自动、快速的执行CPU对用户身份的识别,并执行相应的开门、报警操作。
本设计采用STC89C52作为主控芯片,而用MFRC522读卡器模块来读取射频卡的信息。
当有IC卡进入到读卡器读卡的范围内时,经过碰撞与反碰撞后就会读取到相应卡的序列号,然后单片机根据得到的卡序列号做出其它的操作。
若卡号正确则允许进入,若卡号不存在则显示该卡为非法卡,不允许进入。
还可以通过输入密码的方式进入。
本设计中对门禁系统起着重要作用的存储器采用AT24C02芯片,具有掉电也可以存储卡号的优点,从而保证了系统的安全性。
人机交互部分采用了LCD12864液晶屏显示以及矩阵键盘操作。
通过矩阵键盘,可以用按键切换到注册卡的模式,当有卡进入到读卡器读卡的范围内时,CPU就会读取到相应卡的序列号信息,并根据得到卡的序列号,将其存储到AT24C02的芯片中去。
还可以通过按键切换到删除模式,当有卡进入到读卡器读卡的范围内时就会读取到相应卡的序列号,并将对应存储在AT24C02的芯片中的该卡卡号删除。
此外,驱动开锁电路用继电器驱动的发光二极管表示,而报警器使用蜂鸣器表示。
采用STC89C52自带定时器控制时间,当LED灯亮超过8秒时,蜂鸣器报警,实现门超时未关报警。
将连接P3.1口的导线接地,当因破门而入而导致导线断开,P3.1口由低电平转为高电平,进而蜂鸣器进行报警操作,实现破门而入报警功能。
系统总体结构图见图2.2。
图2.2系统总体结构图
3门禁系统的硬件设计
本此硬件电路采用STC89C52单片机为控制核心,由MFRC522模块读出射频卡信息,通过CPU在LCD12864上显示,通过按键完成密码验证和修改密码的功能。
3.1微控制器STC89C52电路
3.1.1STC89C52简介
STC89C52是80C51产品指令和引脚完全兼容的51单片机产品。
由于传统的8051系列单片机只有128或256个字节RAM可用,对于工程量比较大的程序设计而言,内存往往会不够用。
而STC89C52系列单片机扩展了256个字节的RAM,由于这一特性,52单片机在应用中渐渐取代传统51单片机,而被广泛应用。
STC89C52单片机还拥有两个16位定时器/计数器和全双工UART串行通道、32个双向数据I/O口线、支持在线SPI编程、8K字节在线可编程的Flash存储器[]。
3.1.2STC89C52主要特性
(1)与MCS-51兼容
(2)寿命:
1000次擦/写
(3)据保留时间:
1
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