基于射频识别技术的门禁系统方案

摘要为了适应信息时代的需要，保证建筑部的安全性，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。为此，本文研究一种基于射频识别（Radio Frequence Identification：RFID）技术的门禁系统。（1）研究了基于射频识别技术的门禁系统的总体设计，设计了射频IC读卡器的电路原理图，给出了PCB板。读卡器主要由射频天线、读卡模块、RS485通信接口与单片机控制系统组成，能读写Philips公司的Mifare非接触式智能射频卡，读卡距离约10cm。当没有卡进入读卡能量围时，系统显示时钟，当有卡进入时则读卡数据并将卡号信息显示在液晶显示器上。（2） 深入研究RFID 天线的EMC过滤器、接收电路以与天线匹配电路等构成，结合本设计采用了线圈天线，并从品质因素Q和调谐频率两方面设计读写器天线，设计优化了天线耦合电路。（3）针对设备组网应用要求，门禁终端通信采用RS485总线，同时结合门禁读卡器研究了RS485的网络拓扑结构，通过RS485接口与PC机组成通信网络系统。读卡器平时可独立工作，PC机会每隔一定时间访问读卡器，用PC机上的时钟统一校准读卡器上的时钟，并读取存储器的读卡数据，以便读卡器中的数据得到与时处理。（4）设计单片机的包看门狗、液晶显示、数据存储和实时时钟等在的外围模块电路，采用串口设计如SPI、I2C等，从而节约了单片机的I/O接口。同时结合门禁系统设计门禁控制电路，完成设备的选材。（5）根据射频识别门禁系统总体设计要求，采用模块化软件设计方法，根据MF RC500的特性，系统地对MF RC500芯片的操作流程进行研究，设计主程序的流程图和各个模块子程序，使用C51语言开发了读写器的底层控制软件，并完成程序的调试，证明结果满足设计要求。射频识别以其方便快捷成为业界瞩目的焦点，而中国正在成为射频识别标签生产最被看好的生产基地。将射频识别应用到门禁系统，具有广泛的应用前景，本文基于这一思想设计了小型门禁系统的底层模块，同时还有待于进一步研究扩展，比如利用Internet接入取代RS485联网方式，扩大系统的规模。关键词：门禁系统；射频识别；MF RC500；读卡器；串口通信AbstractTo meet the needs of the information age, ensuring security of the internal architecture and the users different kinds of needs , entrance guard system comes out Gathered with computer technology, electronic technology, mechanical technology, magnetic-electric technology and radio frequency identification technology, Access Control System makes card and locks get integrity dialogue function. That smart cards to control the open or close of the doors ,introduces a new management concept , which not only manager can provide a safe, faster, more automated management style, but also offer the users, a great convenience. In this paper, we research on the design of radio frequency identification Access Control System.（1） This paper introduces the design of the Access Control network system based on radio frequency identification IC card, which analysises the design of hardware detailedly, gives out the electric circuit principle diagram of making contactless IC card Proximity Coupling Device（PCD）. The PCD is consisted of RF antenna, read/write module, RS485 communication interface and MCU, which can read/write the Mifare contactless Smart Card of Philips company, the distance of reading card is 10 cm roughly.The system will display the clock when there is no card entered into the scope of RF energy； when the card entered into that, the reading card data will be displayed.（2）Deeply studed the RFID antenna EMC filters, receive circuit and antenna matching circuits, etc., and considering the special design,we use the coil antenna ,optimize the coupling circuit by raise the quality factor Q and the frequency tuning.（3）Regard the Application for network equipment requirements ,Access Control Terminal using RS485 communications, while combining Access Control RS485 reader on the network topology, through the RS485 interface and PC component communication network system. Reader peacetime can work independently, PC every opportunity to visit some time reader, with PC clock reunification on the clock calibration reader, and the memory card reader to read data to the reader to obtain timely data processing.（4）The Design including watchdogs, LCD, data storage and real-time clock module, and other peripheral circuits, using serial design such as SPI, I2C, thus saving the MCUs I / O interface. Access Control System Design at the same time combining the access control circuit, completed the equipment selection.（5）To meet the Radio Frequency Identification Access Control System design requirements ,we design by modular software method. According to the characteristics of MF RC500 and the systematic research on the operation of MF RC500 chip process, design the flow chart of the main program modules subroutine, use C51-language development the bottom of the reader control software, and completed the debugging process that results meet the design requirements.RFID with convenient and efficient becomes the focus of attention of the industry, and China is being an RFID tag production of the most promising production base. Applicated Radio frequency identification to the Access Control System, has broad application prospects. Based on this thinking, this paper gives out the realization of the specific design, but also to be further study on the expansion, such as the use of Internet access to replace RS485 interconnection, expanding the size of the system.Keywods： Access Control System； Radio Frequency Identification； MF RC500； Proximity Coupling Device； Serial Communication.81 / 88目录摘要IABSTRACTII第1 章 绪论11.1 课题背景与意义11.2国外研究发展现状21.3 本文主要研究容3第2章 门禁系统的技术基础52.1 射频识别技术52.1.1射频识别技术原理52.1.2RFID 天线62.1.3射频识别系统的典型结构82.1.4RFID同其它自动识别技术的比较92.2 门禁系统结构原理102.3密码技术12第3章 基于射频识别的门禁系统总体设计163.1 系统总体方案设计163.1.1 系统设计的基本要求163.1.2 系统方案173.2 系统硬件模块分析173.2.1 射频读写模块分析173.2.2 其他部分硬件分析183.3 射频读写模块设计193.4 直接匹配天线203.4.1 EMC电路203.4.2 接收电路203.4.3 直接匹配天线的天线匹配电路213.5 RS485通讯模块253.5.1RS485接口263.5.2RS485网络拓扑结构273.6 外围接口电路293.6.1看门狗电路293.6.2液晶模块313. 7数据存储的硬件设计353. 7. 1数据存储器的接口363. 7. 2I2C总线协议363.8 实时时钟的硬件设计373. 8. 1实时时钟的接口373. 8. 2时钟数据传输的控制383. 8. 3时钟数据传送方式383.9非接触式IC卡的选择393.10门禁控制电路40第4章 基于射频识别的门禁系统软件设计424.1系统软件分析与设计424.1.1 软件设计方法与设计语言选择424.1.2 系统总体程序流程设计424.2 系统软件模块化设计424.2.1 射频控制模块434.2.2 看门狗模块464.2.3 数据存储模块464.2.4 通讯模块484.3 模块子程序编译调试544.4 实验样机56总结与展望58参考文献60附录A 攻读学位期间发表的论文63附录B 攻读学位期间参加的科研项目64附录C 部分电路图65附录D 模块程序68致85第1 章 绪论1.1 课题背景与意义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部的安全性。为了适应信息时代的需要，保证建筑部的安全性，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。 门禁系统又称门禁出入口保安自动化管理系统。智能建筑通过对四个基本元素，即结构、系统、服务和管理进行最优化的考虑，从而为用户提供一个高效和高经济效益的工作环境。它在功能上实现了通讯自动化（CA）、办公自动化（OA）和楼宇自动化（BA），通过综合配置在建筑的各功能子系统，以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公自动化系统、楼宇自动化系统的综合管理。门禁系统属于楼宇自动化系统的一部分，具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能，它主要方便部员工或住户出入，杜绝外来人员随意出入，既方便了部管理，又增强了部的保安。一套现代化的，功能齐全的门禁系统，不止是作为进出口管理使用，而且还有助于部的有序管理。它将时刻自动记录人员的出入情况，限制部人员的出入区域，出入时间，礼貌的拒绝不速之客。同时也将有效地保护财产不受非法侵犯2。智能建筑的推广，建立连网门禁系统也成为一种趋势，门禁系统将有更广阔的发展空间。随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用围越来越广泛。人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能。而基于射频识别的门禁系统针对集成应用给出了可行方案，具有重要的意义2。1.2 国外研究发展现状1国外研究现状目前，欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。生产控制器的公司就只研究生产控制器和软件。如美国的Northern Computer公司、CSI公司。随着其产业化的形成，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低，现已进入1000美元一套系统的可广泛运用的市场。正是由于市场的不断成熟，人们在普遍接受门禁系统的观念之后，在采购方面已可很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行系统集成就可为用户方便安装成整套系统。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平与发展方向来看，虽然磁卡和接触式IC卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场2-3。国外对IC卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但在非接触式IC卡方面的研究使用也只是近几年的事。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、新加坡处于同一档次。当今世界上非接触式IC卡主流产品是Philips公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443 Type A标准。欧洲一些IC卡与读卡器制造商大都以Mifare技术为标准发展自己的IC卡事业3。Philips公司的MifareIC卡系列产品有三类： MifareStandard, Mifarelight, MifarePLUS（第一代）和MifarePRO（第二代）。最近又推出一种新型Mifare卡,即Mifareultralight非接触式IC卡，简称为MFOICUl,有512字节E2PROM,专用于车票系统,MFO卡最大的特点是交易时间只有31.4ms，比其它Mifare卡要短得多。此外还有一种MF3ICD40卡，密码机制更加完善，不是按块而是按文件操作，波特率高达106424Kbps，有防撕扯功能、值文件功能等28种用途4。ATMEL公司生产的Temic非接触式IC卡E5550芯片是一种ID（身份）识别芯片，容量为264位E2PROM，采用125KHz射频频率，是一种低频卡，操作距离5-l0cm，相应的读写基站芯片为U2270B，此芯片在动物身份识别等方面得到了应用。瑞士EM公司的H4001非接触IC卡，容量为64位E2PROM，采用125KHz射频频率，也是低频卡，其读写芯片为P4095。 Legic射频卡容量为256字节E2PROM，读写距离10cm并己用于公交系统。美国仪器公司（TI公司）的ID卡是一种低频只读卡，部有8字节（64位）ID，已经应用在门禁考勤系统20。2国研究现状（1）目前，国对门禁系统的研究已经从认识教育和试用阶段进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与制造过程中还有以下几点不足之处，主要表现为：采用国外已有的集成模块，像读写器、门禁控制器、天线模板等；对国外已有的系统进行仿造；产品单一、开发成本较高。（2）在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，主要的做法有两种，第一种是购买国外的门禁系统配件，如读写器、门控器等，再对其进行二次软硬件的设计。这种门禁系统的性能很好，能满足许多安全要求很高的场所，但是价格很高。第二种方法是，除了核心芯片购外，其余部件都是对国外优质产品进行研制。这种方式比较灵活，可以随时根据客户的要求增加门禁系统的功能，且价格也比较便宜。而在系统的结构方面，国的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。即门禁控制器先接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。由于其门禁系统的部件大多采用国外先进集成电子工艺和原材料制造，因此其性能很高。但是高性能的代价是高价格。这些门禁系统大多可以同时控制多个门，可以实现多门监控机制；对于很多企业，这些门禁系统同其他系统，如考勤系统集成，被做成企业“一卡通”系统，即员工可以凭一卡来使用企业的多项非接触式IC项目；可管理的人员多，像美国西屋门禁最多可同时管理一个10万人的企业。由于系统是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，只要对系统的某一部分升级，再组装即可。由于注重系统的高性能和广泛的适用性，这些门禁系统大多价格较高，这是国很多中小型厂家不能接受。但是国大部分厂家对门禁系统的研制处于感知阶段，并没有从理论上对门禁系统进行研究。比如在天线设计时要么就是参照国外公司的资料，要么就是通过实验对天线的参数进行修改24，从而得到较好的效果，很少把这部分的研究上升到理论的高度。因此对关于门禁系统的理论进行研究非常需要。1.3本文主要研究容本文针对国目前的市场需求情况，研发了一套基于RFID的门禁系统，论文在探讨了基于射频识别技术的门禁系统的发展现状和技术基础上，研究射频天线的设计和应用RS485的网络拓扑结构，设计开发系统的硬件设计和软件设计，给出制作射频识别IC读卡器的电路原理图和PCB板，设计主程序流程图和模块子程序，并进行联机调试，完成实验样机的研制工作。本文的结构安排：第1章 绪论。论述课题背景与其意义，探讨目前国外研究现状和采用的技术；第2章 门禁系统的技术基础。主要论述射频识别技术结构特点和门禁系统的功能结构以与有关IC卡的密码技术；第3章基于射频识别的门禁系统总体方案与硬件模块设计，主要论述射频读写模块、天线模块、通讯模块、看门狗、液晶、存储、实时时钟模块的设计；第4章基于射频识别的门禁系统软件设计。给出了总体程序流程图和模块化设计，并作了子程序的编译，在附录给出具体的程序；总结与展望。客观的评价了本论文所作的工作和设计方案，以与有待改进的地方。第2章 门禁系统的技术基础2.1射频识别技术射频识别技术是从八十年代逐渐兴起的一项识别技术。它是利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。应当注意的是当前的RFID系统有很多工作频段，包括了低频、高频和超高频段。工作原理也不尽一样，有的是利用近场的电磁感应（所以有人把射频卡称作感应卡），有的是利用电磁波发射。与同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别。另外不象IC卡那样有电触点暴露在外，射频卡是将芯片完全封装在的，因此可以使用在比较恶劣的环境。总之，RFID系统可在更广泛的场合中应用 12 。2.1.1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，见图2.1 。 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( IC) 芯片与其外接天线组成，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。图2.1 射频识别系统原理图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。目前RFID 已经得到了广泛应用，且有国际标准：ISO10536 、ISO14443、ISO15693、ISO18000 等几种。这些标准除规定了通讯数据帧协议外，还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规。RFID 应用系统的标准制定决定了RFID天线的选择，下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的RFID 天线与其性能。2.1.2RFID 天线RFID天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3 种基本形式的天线。其中，小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段。而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线，它们工作在高频与微波频段。这几种类型天线的工作原理是不一样的。 1、线圈天线当RFID天线进入读写器产生的交变磁场中，RFID天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。由RFID天线形成的谐振回路见图2.2，它包括RFID 天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2，其谐振频率为：f =1/2，(式中C为Cp和C2的并联等效电容)。 RFID 应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的ID21 型非接触式IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm 54.03 mm 0.76 mm)，天线线圈谐振工作频率通常为13. 56 MHz。目前已研发出线圈天线面积最小为0. 4mm 0.4 mm的短距离RFID 应用系统。某些应用要求RFID 天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识别的RFID。线圈外形即面积的减小，RFID 与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用，通常在RFID 的天线线圈部插入具有高导磁率的铁氧体材料，以增大互感量，从而补偿线圈横截面减小的问题。图2.2 应答器等效电路图2、微带贴片天线微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的，见图2.3。 根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状。通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长(/ 2) 的导体长度方向变化， 则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。因此，一般适用于通讯方向变化不大的RFID 应用系统中。为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题，人们还提出了各种不同的微带缝隙天线，如设计了一种工作在24 GHz 的单缝隙天线和5. 9 GHz 的双缝隙天线，其辐射波为线极化波；如开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线，它是可以采用左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的1和0进行编码。图2.3 微带贴片天线3、偶极子天线由于RFID应用系统中的远距离耦合，需要用的是偶极子天线(又称对称振子天线) 。偶极子天线与其演化形式见图2.4，其中偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程：E = = 式中Iz 为沿振子臂分布的电流，为相位常数， r 是振子中点到观察点的距离，为振子轴到r 的夹角，l为单个振子臂的长度。 同样，也可以得到天线的输入图2.4 偶极子天线(a)偶极子天线；(b)折合振子天线；(c)变形偶极子天线阻抗、输入回波损耗S11 、阻抗带宽和天线增益等等特性参数。当单个振子臂的长度L =/ 4 时(半波振子) ，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l 为/ 4 的整数倍，如工作频率为2. 45 GHz 的半波偶极子天线,其长度约为6 cm。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图2.4(b)的折合振子。2.1.3射频识别系统的典型结构射频识别系统的典型结构见图2.5，主要是由两部份组成：读写器和射频卡。读写器同射频卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块与天线（或感应线圈）。射频卡中有存储器，存容量为几个比特到几十千比特。可以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数据可以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在E2PROM等可重写的存储器，用以存储用户数据。射频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、译码与执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。射频卡分无源卡和有源卡两种，有源卡置天线和电池，而无源卡只有置天线没有电池，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、出错报警与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。图2.5 RFID系统典型结构图2.6 为RFID系统的工作过程，这是一个无源系统，即射频卡不含电池，射频卡工作的能量是由射频读写模块发出的射频脉冲提供11-13。射频读写模块在一个区域发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分。逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。 如果需要发送数据，则将数据调制然后从收发模块发送出去。 读写模块接收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时可以通过RS232或RS422或RS485或RJ45或无线接口将数据传送到计算机。读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步，从而简化了系统的设计。有源系统的工作原理与此大致一样，不同处只是卡的工作电源由电池提供的14-18。图2.6 射频识别系统原理图2.1.4RFID同其它自动识别技术的比较随着计算机技术的不断发展，相继涌现出多种自动识别技术，目前主要有：光符识别技术（OCR）、磁字符识别技术（MICR）、磁性条识别技术（MBR）、机器视觉系统（NIVS）、条码识别技术、IC卡识别技术与射频识别技术等。评价一种自动识别技术，通常有两个重要指标，即首读率和误码率。首读率是指当对一组数据进行一次性识别时，其中一次性识别成功的概率，常用FRR表示。误码率是指对一组数据进行识别时，其中可能出现一个错误字符的统计概率，常用SER表示。OCR技术由于FRR不高，逐步被条码技术取代； 磁字符识别技术专用于银行业务中，阅读设备复杂； 机器视觉系统通常被用于自动分类和检查产品的制造业中。这些技术或正被淘汰，或只用于专业系统，所以这里不再讨论。而条码、磁性条识别技术，IC卡识别技术、射频识别技术等识别技术现在使用的较为广泛，它们都有各自的优缺点与适于应用的场合 579 。表2-1列举了几种识别技术各自的优缺点。条码成本最低，适于大量需求且数据不必更改的场合，例如用在商品包装上。一般的条码是纸质的，较易磨损，且数据量很小。磁性条的成本也很低，但是容易被伪造，数据量小。IC卡的价格稍高些，数据存储量很大，数据可以加密，安全性好，但是由于它的接触点在外面，有可能被损坏。而射频识别技术最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预，适于实现自动化。由于射频卡是完全封装的，不易损坏，适于在恶劣环境中使用，还可识别高速运动物体并且同时可以识别多个卡，因此操作快捷、方便1-4。表2.1 几种识别技术的区别信息载体信息量读/写性读取方式性智能化环境适应能力寿命ISO标准成本条码纸、塑料薄膜、金属表面小只读CCD或激光束扫描差无差较短有最低磁性条磁性物质一般读/写电磁转换一般无较差短有低IC卡E2PROM大读/写电擦除较好有好长有，不全较高RFID 卡E2PROM大读/写无线通讯最好有很好最长有较高2.2 门禁系统结构原理在工厂、学校、办公室、商店、金融系统、军事系统、住宅、宾馆等多种场合，为了学习、工作、生活的安全和有效，需要进行封闭式管理。传统的方法是工作人员对出入人员进行登记放行。这种方法费力又容易出错，而且管理不严格。随着技术的进步，门禁系统逐渐由原来的钥匙开门，到IC卡的门禁管理，最后到现在的非接触式IC卡门禁系统。非接触式门禁系统采用个人识别卡方式工作。给每个有权进入的人发一个人识别卡，相当于一把钥匙。系统根据该卡的卡号和当前时间等信息，判断该卡持有人是否可以进出，如果可以，则系统自动开门，否则，不开门。对于工厂、机关等需要考勤的场所，门禁系统还可以记录每个职工是否按时上下班。门禁系统的另一优点是可以随时增加和删除某一卡，而不必担心某一卡丢失后造成什么损失8。门禁系统的功能如下：（1） 时刻自动记录人员的进出情况，限制部人员的进出区域和进出时间，礼貌地拒绝不速之客，同时也将有效地保护公共财产不受非法侵犯 。（2） 系统的每个远端控制器通过总线方式与控制中心实时联系，记录所有进出入人员的信息，包括人员、进入时间和进入的门等，如请求进入的人员身份合法（即经过控制中心授权），电锁将打开；否则电锁不会开启 。（3） 发生火灾时，各远端智能控制器能同时全局联动，打开所有的门以紧急疏散 人群并发出报警信号 ，控制器对于非法闯入事件也能实时报警并处理 。（4） 人员可以向控制中心申请权限，中心批准后可以使用该卡开指定的门。（5） 控制中心通过管理软件对所有远端控制器进行实时监控，随时汇整数据 ， 并根据需要将资料打印出来。门禁系统由门禁控制单元、通信管理器、管理主机、管理软件等组成。其中门禁控制单元是由门禁控制器、读卡器、电控锁、门磁传感器、开门/关门、识别卡等构成，典型门禁系统构成见图2.7。门禁控制器是门禁系统的核心。如果将读卡器比做系统的眼睛，将电控锁比作系统的手，那么门禁控制器就是系统的大脑，由它来决定某一是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段和开门权限，从而控制电控锁是否打开。系统的控制主机可以是单片机也可以是PC机，系统组网情况下的拓扑结构一般采用总线结构，其优点是节点接入方便、成本低、轻载时延时小、可靠性高等1112。图2.7 典型门禁系统的构成门禁控制器是是整个系统的核心控制部分，对门锁的一切操作均由它来控制完成，主机发下的控制命令、门锁的状态和记录信息都经由门控器来传送，并且控制读写器、接收读写器的资料等。读写器是使用者与系统的一个接口，它必须具有如下的基本功能。（1） 非接触式IC卡进入/退出射频区的识别与控制；（2） 通过射频方式向非接触式IC卡提供稳定的电源和时钟信号；（3） 实现与IC卡的数据交换，并提供相应控制信号；（4） 对应加密数据系统，应提供相应加密/解密处理与密钥管理机制；（5） 提供相应外部控制信息与与其他设备的信息交换；因此，本部分的性能非常重要。在本系统中的射频读写芯片采用Philips公司的MF RC500，该芯片是Philips公司的最新产品，比以往的射频识别芯片具有更好的性能6。门磁传感器则可以反映门的实时状态，通过门磁信号微处理器可以判断是否是合法开门，若是非法开门，则给出相应报警信号。电控锁是门禁系统的执行机构，有阳锁、阴锁之分。按照识别身份技术的不同，可以把门禁系统划为磁卡门禁、非接触式IC卡门禁系统、指纹门禁系统等。在以卡识别技术为主的系统中，用户可以根据需要选择各种类型的读卡器，也可以选用数字密码键盘开锁，常用于酒店、商场、公司、机关等公共场合。对于通过指纹鉴别身份的门禁系统，通常用于性很强的出入控制场所11。2.3密码技术(1) 通讯安全和通信安全与是为了达到IC卡与读写设备进行信息交换过程中的有效与合法。具体而言，也就是要求相互传送的信息具有完整性、真实性、有效性、性和不可否认性。完整性是指IC卡与读写设备必须能检测出在它们之间交换的信息是否己经被修改，判断出相互交换的信息是否合法，对于完整性的保证，一般是在所交换的信息添加一段报文鉴别码(MAC)。真实性是指IC卡和读写设备都必须有一种确证能力，能够确证它们各自所收到的信息都由真实对方发出，自己发出的信息也确实被真实对方接收。有效性是指IC卡和读写设备能区别当前有效合法的信息与前次有效的信息；对于有效性的保证一般是在通信信息添加加密后的时间段信息。性是指通过对要交换的信息进行加密处理来防止非授权者读到真实的明文容。不可否认性是指发方和收方不可否认信息的发出和收到。从上面谈到的IC卡逻辑安全中，我们可以清楚地看到密码学在IC卡安全性中的重要地位。在决定1C卡安全性的问题上，采用什么样的加解密方法，什么样的认证方法与它们的安全强度如何等等，对于IC卡的安全性有着至关重要的影响。使用密码进行通信的一般模型见图2.8。其中要被加密的原文称为明文，加密过程的输出称为密文，密文通过传输信道传输到接收端，然后通过解密过程将明文还原。可见，数据的加密和解密的过程实际上就是通过一定的算法将信息加以伪装和解除伪装的过程。完成加密和解密的算法称为密码体制。密码体制的分类有很多种。按照加密密钥和解密密钥是否一样，分为对称密钥密码体制(秘密密钥体制)和非对称密钥密码体制(公开密钥体制)。在本设计中主要采用了非对称密钥密码体制。图2.8 密码通信的一般模型(2) 对称密钥密码体制对称密钥密码体制中加密密钥和解密密钥一样。这一体制是密码学的基本方法。通信双方享用一个共同密钥k，一方用密钥k加密明文，产生密文；另一方用密钥k解密密文，恢复出明文。可以把加密与解密过程表示为:(Ek表示加密算法，Dk表示解密算法，mM明文空间)C=Ek(m)m=Dk(C)m=Dk(Ek(m)对称密钥密码算法中，最著名的就是DES(Data Encryption Standard)算法，它是由IBM公司在1975年研究成功并公开发表的，它是一种分组加密算法，明文按比特分组加密，密钥是56位密钥加8位奇偶校验位。加密算法与解密算法一样，分组的明文信息根据密钥执行一系列可逆的混乱与扩散算法。(3) 非对称密钥密码人们在使用对称密钥密码系统中，发现它有两个主要缺陷:密钥管理既复杂又困难，例如，在一个具有n个用户的相互通讯系统中，就需要有Cn2个密钥，当n很大时，就使得维护密钥的安全变得十分困难。对称密钥系统不能确证信息来源的真实性和用户的身份。于是在 1976年，Diffie和Hellman在其“密码学新方向”，一文中提出了公开密钥系统，即密码系统中的加密密钥、解密密钥可以不同。加密密钥公开，由加密密钥和密文不能容易地求得解密密钥和明文。另外，加密变换和解密变换可以交换，即满足Ek*DkDk*Ek。这样，公开密钥体系可以方便地解决上述两个问题。在公开密钥密码体制中，最有名的一种是RSA体制。它己被ISO/TC97的数据加密技术分委员会SC20推荐为公开密钥数据加密标准。RSA算法是由Ronald LRIVest博士、AdiSh amir博士、LeonardA dleman博士创立，并以他们的名字命名的公开密钥的算法。RSA算法是一种分组密码算法，它以数论中的欧拉定理为理论基础。RSA密码系统为每个用户分配两对密钥，即(e,n) 和(d,n) ，其中(e,n) 用于加密报文，(d,n)用于与解密报文。实现RSA算法需要解决两个问题：如何确定n,e ,d 三个密钥。如何实现加密算法和解密算法。由于其中涉与大数的指数运算与模运算，计算量很大，因此这是实现RSA算法的关键。生素数的方法根据修改的欧拉定理，如p为素数，则对于X的所有整数值，应满足:XP-1=1 mod p这是一个必要条件而非充分条件，不过，如果有5个以上的X值能满足上述条件，则p可基本断定为素数。产生加密密钥ee是与(n)互素的任意数，因此可以先选择一数e，检查它是否与(n)互素，若不是，则执行e=e+1，再次检查，直到与(n)互素为止。检查两数是否互素的方法如下:检查两数的公约数gcd是否为1，若是，则两数互素。根据欧几里德算法，如果a=bn+1，则a和b的gcd等于b和的gcd，即gcd(a,b) = gcd(b,c)，因此，gcd(a,b)可用每次运算的余数去除该运算的除数来计算，这样可以逐渐减少参加运算的操作数的数值，最后的非零余数即为公约数。如对40,31是否互素进行判断，即计算gcd(40,31)。第一次运算:40=28*1+12，即40/28的余数为12;第二次运算:31=9*3+4，即31/9的余数为4;第三次运算:9=4*2+1，即9/4的余数为1;因此，gcd(40,31)= 1,40与31互素。上述算法即使对很大的整数，也只需要不多的步骤即可得到结果。产生解密密钥d采用欧几里德算法的一种变型产生解密密钥d。设: (n)X(0), eX(1),(n)和d是互素的数;X(i+l)为X(i1)/X(i)的余数;Q(i)=X(i-1)/X(i)的商(取整数);d(0)=0，d(l)=1;则: d(i+1)=d(i-1)+q(i)*d(i);递归计算，直到X(i)=1,d(i)的值即为密钥。下面以p=5,q=17,e=19为例，对密钥。的值进行计算X(0)=(n)=(p-1)，(q-1)=64，e=X(I)=19;X(2) =X(0)/X(1)，X(2)=7;d(O)=0，d(1)=1;q(i)=X(i-1)/X(i)，则q(1)=3;d(i +1)=d(i-1)+q(i)*d(i)，则d(2)=3同理， X(3)=5，d(3)=7;X(4)=2 ，d(4)=10 ;X(5)=1 ，d(5)=27 ;所以， 解密密钥d的值为27。由以上确定n、e、d数据的过程可知，若使RSA算法安全，p、q 必为足够大的素数，使分析者无法分解出n。通常选择P和q大约是100位的十进制素数。模n的长度至少为512 比特。EDI(Electronic Data Interchange)标准使用的RSA算法规定n的长度为512到1024比特之间，必须是128的倍数。国际数字签名标准ISO/IEC9796中规定n的长度为512比特。为了抵抗现有的整数分解算法，对RSA模n的素因子p和q,有如下要求:(1)|PQ|很大，通常p和q的长度一样;(2)P1和q1分别含有素因子p1和q1;(3) p1-1和q1-1分别含有素因子p2和q2;(4) p+l和 q+1分别含有素因子p3和q3。加密和解密算法的实现是在n、d和e数据己经确定的情况下，完成cE(m)=me mod n的加密过程;mD(c)= cd mod n 的解密过程。第3章 基于射频识别的门禁系统总体设计3.1 系统总体方案设计3.1.1 系统设计的基本要求门禁系统作为一项先进的高科技技术防手段，在早期，一些经济发达的国家就已经应用于科研、工业、博物馆、酒馆、商场、医疗监护、银行、监狱等，特别是由于系统本身具有隐蔽性、与时性等特点，在许多领域的应用越来越广泛。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。本设计为面向实验室管理的小型门禁系统。1.系统的实用性门禁系统的容应符合实际要求，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，离实际需求偏离太远。2.系统的实时性如果门禁系统中任何一个关键系统出现错误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Non-stop（不停机）系统，以保证工作正常运行。3.系统的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与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 体现在信息传输与使用过程中不易被劫取等方面。5.系统的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，即：可灵活增减或更新各子系统 ，满足不同时期的需求，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典。6.系统的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 开电即可工作的程度。而且维护过程中无需使用过多专用的维护工具。门禁系统在设计时结合目前国外的实际应用水平，使系统建成后能立即得到充分的利用，采用合理的投资而得到最佳的效果。主要体现在三方面：（1） 在满足功能性和可靠性的前提下，初期的总投资要尽可能少。（2） 系统运行后的管理和维护费用少。（3） 系统在未来进行更改或搬迁以与改造升级时需要少量资金便可达成。3.1.2 系统方案基于MF RC500射频识别门禁系统是以射频识别读写器为核心，系统的总体结构见图3.1，再增加门锁继电器以与其他一些辅助器件而组成的系统8。系统的工作原理是先由微处理器AT89C52控制射频识别读写器读取非接触式IC卡的信号，接着，AT89C52根据所得数据输出四个开关量信号（门阀继电器有两个，分别控制进出），经放大后分别用于控制门锁继电器和读取门磁信号，并且整个系统与上位PC机之间进行通讯，获得指令以与传输系统状态等，最后，对系统的辅助设备，如液晶屏、E2PROM等进行操作。图3.1 系统的总体结构图3.2系统硬件模块分析3.2.1 射频读写模块分析从图3.1可以看出系统最重要的部分是基于MF RC500的射频读写模块的设计。由于MF RC500的集成度很高，而且具有其独有的特性，因此，在开发时要严格遵守MF RC500的特性 6-9 。（1） 要求工作电压稳定，并且要在允许围(见表3.1)。表 3.1MF RC500电压特性电压参数特征最小电压典型电压最大电压DVDD数字工作电压4.5v5.0v5.5vAVDD模拟工作电压4.5v5.0v5.5vTVDD发射器工作电压3.0v5.0v5.5v（2）要有足够大的电流消耗（见表3.2）。表3.2 MF RC500的电流消耗电流参数工作状态典型电流最大电流IDVDD数字工作电流空闲模式6mA9mA等待模式3mA5mA软关机模式800uA1000uA硬关机模式1uA10uAIAVDD模拟工作电流空闲模式（接收器开放）25m40m空闲模式（接收器关闭）8mA12mA等待模式6.5mA9mA软关机模式1uA10uA硬关机模式1uA10uAITVDD发射器电流发送连续波150mA（3）在软件设计时，必须严格遵循MFRC500的特有工作时序，并且要注意MF RC500的复位操作（见表3.3），否则系统将不工作，甚至损坏芯片。表3.3 MF RC500的复位特性模式电流（