智能楼宇门禁系统地设计与应用

word2012届本科毕业设计论文资料题 目 名 称：智能楼宇门禁系统设计与应用 学 院部： 电气与信息工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名：班 级：测控081 学号08401600119 指导教师某某：职称 副教授 最终评定成绩：某某工业大学教务处 2012届本科毕业设计论文资料第一局部 毕业论文2012届本科毕业设计论文学 院部： 电气与信息工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名：班 级：测控081 学号08401600119 指导教师某某：职称 副教授 最终评定成绩：2012年5月 文档摘 要随着社会经济和科技的飞速开展，射频识别技术越来越广泛的应用于各种行业，特别是身份和安防等行业，门禁系统作为智能建筑的重要单元越来越得到重视。传统的门禁系统采用的机械锁和刷卡认证等方式，要求近距离操作，当使用者的双手被占用时就极不方便，并且容易遗失、复制和被盗用，本钱也较高。射频识别技术的出现弥补了这些不足，并且射频标签是非接触式的、读写速度快、功耗低，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。当使用者进入门禁系统的检测X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。 首先分析了门禁系统的国内外开展现状和趋势，阐述了门禁系统当前存在的问题引出课题的研究目的和意义，提出了基于射频识别的智能门禁系统设计方案。 其次，对射频识别技术进展了阐述，分别从射频识别技术的根本概念和工作原理两局部进展了阐述。从射频识别系统的组成出发，详细的介绍了射频识别系统的工作原理、主要技术参数和RFID涉与到的关键技术。 最后，详细的分析了系统的硬件和系统的软件设计过程，设计出门禁系统中的RFID卡、门禁控制器和LF发射天线等硬件电路。RFID卡与门禁系统之间采用无线双工通信方式进展数据传输，实现系统的快速响应。对硬件电路芯片的选择、硬件驱动程序的设计、串口通讯程序的设计等作了具体详细的介绍。关键词：射频识别，门禁控制器，ID卡，智能门禁ABSTRACTAlong with the social economy and the rapid development of science and technology, radio frequency identification technology are being more widely used in various sectors, particularly the identification and security industries, access control system as an important element of intelligent building more and more attention.Traditional access control system adopted by mechanical locks, and credit card verification, etc., require close operation, when the consumers hands occupied is extremely inconvenient, and easily lost, copy and unauthorized use, costs are higher. Radio frequency identification technology makes up for these deficiencies, and radio frequency labels are non-contact, read and write speed, low power consumption,this article designed a use of RFID technology in high-security smart access control system, is the RFID certification quickly confirm that the staff of the true identity of intelligent access control system. When users enter the access control system for the detection range, the system will automatically obtain identity information to identify the person using them is not a legitimate users, and record entry of information, on the illegal intruder alarm signal.Firstly, has analyzed the entrance guard system domestic and foreign developmentpresent situation and the tendency in this paper, elaborated the entrance guard system current existence question, draws out the topic the research goal and the significance, proposed based on the radio frequency recognition intelligent entrance guard system design plan. Secondly, on radio frequency identification technology are described, from radio frequency identification technology concepts and works in two parts. From radio frequency identification system of start gives full details of radio frequency identification system works, the main technical parameters and RFID key technologies involved. Finally, details about the systems hardware and system software design proccess,design out guard system RFID cards, access controller LF transmitting antennas and other hardware circuit. RFID card and swipe used between duplex munication mode wireless data transmission, and realize a rapid response system. On the Select hardware circuit chips, hardware drivers, design, serial munications programs such as the design for specific details.Keywords: RFID,Access Controller,ID Cards, Intelligent Access目录摘要IIABSTRACTIII目 录IV第1章 绪论11.1 课题研究的背景与意义11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义11.2 门禁系统的开展2331.4.1 RFID的电磁学原理41.4.2 RFID系统的分类51.4.3 RFID的系统根本模型67第2章 门禁系统的总体设计方案72.1 射频识别的工作原理72.1.1 射频识别系统的组成82.1.2 调制方式和能量传递102.1.3 数据的安全性.112.2 系统设计的要求和原如此141618第3章 门禁系统的硬件设计183.1 硬件的总体设计183.2 PIC单片机简介20203.3.1 微控制器21223.3.3 RF接收模块243.4 ID卡设计25253.4.2 RF发射模块263.4.3 低频接收模块28303132第4章 门禁系统的软件设计344.1 RFID通讯协议34364.2.1 RFID信息读取工作流程36394.3 控制器串行通信中断子程序设计41结论44参考文献45致谢461 绪论1.1 课题研究的背景与意义1.1.1 课题研究的背景当今社会科学技术飞速开展，人们都在感受着高科技带来的便利与益处，同时，人们对高科技服务于生活的要求和质量也越来越高。我国经济的快速开展，城市人口也迅速增加，社会财富不断聚集，因此对建筑的安全防护系统要求也越来越高。高科技在带给人们生活便利的同时，也带来了一些人运用这些高科技手段进展盗窃和抢劫等某某犯罪行为，造成了人们的人身和财产安全的隐患，人们只有寄希望于更安全、更可靠的安全防X措施，来阻止这些犯罪份子的侵犯。自古以来，人们一直使用一把普通的锁来保护他们的财产，对进出人员进展控制，这种简单的方法一直沿袭了几千年，这种普通的门锁始终离不开钥匙，而且一把门锁需要一把与之相对应的钥匙，多把锁就需要配多把钥匙。钥匙多了就繁琐不便于携带，并且容易丢失和被盗，不管其结构多么的合理，材料多么巩固，总可以通过某种非正常的手段打开，因此安全性差。在科技飞速开展的今天，传统的门锁在很大程度上不能满足人们对安防的需求，为了从根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的根底上开发出来的。智能门禁系统是智能IC卡与机械锁的有机结合，用智能IC卡代替传统的钥匙，用计算机实行智能化的管理，解决了传统门锁的许多不足。结合小区、工厂等部门的管理特点，将一局部大门、单元门、一些重要的设备间和会议场所选择安装智能IC卡门禁系统，由计算机或管理人员在中心控制室监控，能够对各个出入口的位置、通行人员以与通行时间、方向等进展实时控制和设定程序控制，从而实现对出入口的智能化控制，已经取得了较好的经济和社会效益。智能门禁系统已成为兴旺国家和地区一些重要场合重要的安防系统之一，与传统的门禁安全设备不同，它从被动转变到主动监控和报警控制，发挥了更高的安全防X作用。所以，智能门禁系统在安防控制设备领域中大显风采。根据美国当局的调查结果显示:美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的57.8%，闭路电视监控与其他报警设备销售总额仅占39.2%，另外某某安防器材市场的年度调查报告中，门禁系统销售增长率为25%，与其他安防设备的增长率相比高出了十几倍。 随着人们对门禁系统的要求不断增加，现在的智能门禁控制系统的应用越来越广泛，人们对智能门禁系统的应用不再仅限于对出入口的单一管制，还要求它不仅可应用于智能大厦或者智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇智能控制等，而且还能与其他联动控制设备等一起构成具有多种控制功能的系统。1.1.2 课题研究的意义当今科技飞速开展，给人们带来利益的同时，也带来了不法份子利用高科技进展盗窃、抢劫和犯罪等问题。怎样才能使人们的安全防X措施跟上科技的开展、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。 目前，智能化已成为自动化领域新技术、新方法和新产品的开展趋势和标志，智能化迅速扩展到仪器、仪表、设备以与整个大系统之中。它不仅深入到军事，也深入到工业控制、商业、建筑业和农业，包括计算机控制、管理、辅助设计和生产过程自动化等各个领域。 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，对出入口进展控制。在我国IC卡行业的开展起始于1993年左右，当时对IC卡行业非常重视，高瞻远瞩，国家大力开展我们自己的IC卡事业，建立了“金卡工程。已成功开发出了我国自主的较大容量的存储卡和逻辑加密卡等，但是对于高端CPU卡和非接触IC智能射频卡的制卡技术和相应的读/写卡设备的技术我们仍处于落后状态，极大的限制了我国IC卡事业的开展，制约着我国“金卡工程的实施，智能门禁控制系统在我国的使用还处于开展阶段。 正是在这种背景下，本课题提出了基于射频识别的智能门禁控制系统，具体分析和研究了其中的一个重要局部一门禁控制系统。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。1.2 门禁系统的开展门禁系统到底是如何开展起来的呢?门禁系统，就是对进口和出口人员的控制，也叫做出入口控制系统。在什么地方放人进出，什么地方拒绝人的出入，以与什么时候需要拉响警报和对出入人员信息的存档，从而保障人身和财产的安全，是早期门禁系统的根本功能。随着社会的不断开展，门禁系统也逐步的开展进步和智能化。从人类社会的形成开始，随着人们的不断劳动创造了财富，人们有了属于自己的财物，为了保障自己财物的安全，人们将门用栓子锁起来，因此，人类从找个时候起就对进出门人口的控制，从而产生了早期的门禁系统。随着人类社会的不断进步，人们的安全防X意识也不断的提高，出现了安全性能越来越高的门锁设备。传统的门锁都是纯机械装置，无论它的内部结构多么的复杂，始终依赖于一把很简单的钥匙，就可以轻而易举的进出，如果钥匙丢失了门锁也就坏了。磁卡式的门禁系统弥补了这种功能简单和单一的不足，用磁卡代替原来的钥匙，各方面的性能都得到了改善和提高，但是磁卡的存储空间小，磁卡与读卡器之间容易发生磨损，读卡器容易被人为破坏，这些因素使得磁卡式门禁系统的安全性和可靠性也受到了一定的限制。 近年来，随着计算机技术的和网络系统在社会各个领域的迅猛开展，门禁系统显示出了它强大的开展空间，电子锁不断成熟开展起来，接触式的智能IC卡和通过输入密码的门禁系统逐渐得到人们的重视。使用计算机管理整个系统，通过网络连接系统的读卡装置管理终端，智能IC卡具有一定的存储能力和运算处理能力，通过对IC卡进展授权和初始化处理后能够作为开关门锁的特殊钥匙，构成一个智能化的现代门禁系统。 随着接触式智能IC卡门禁系统的应用，其市场规模不断的扩大，它自身不可克制的缺点成为智能IC卡门禁系统开展的障碍。通信的全球化和网络信息的飞速开展，人们对各方面提出了更高的要求，要求信息载体便于携带、安全性高、使用简单等，非接触式智能IC卡具有无机械磨损、维护方便、使用简单等特点，具有强大的潜力因此成为业界备受关注的新军。随着数字化的普与和开展，数字电路的性能不断的完善和提高芯片的价格也越来越低，使得人们能够有机会设计出大量各种性能、性价比高的产品。控制处理模块是门禁控制系统所有功能和组态方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防X能力以与对日常工作的管理。 上个世纪80年代，计算机技术飞速开展和光学扫描的技术革新，使得指纹的提取成为了现实。在90年代后期，图像设备的引入和开展，以与图像处理的算法为指纹别应用提供了条件，大大促进了生物识别的门禁系统的开展和应用。生物识别的门禁系统是通过检测人体个人所具有的唯一特征的方法来进展出入的控制，研究明确，人的指纹、掌纹、面部特征、声音、视网膜、虹膜、骨骼都具有唯一性和稳定性的特点，即每个人的这些特点与他人不同而且终身不会发生变化，因此可以用这些特征作为判别人员身份的依据。从而产生了基于这些特点的指纹识别、声音识别、脸部识别等生物识别的技术，指纹识别技术是生物识别技术的热点。由于人体的这些生物特征具有可靠性和唯一性，终身不变，不会遗失和复制，其他的介质取代不了的优点，所以，基于生物识别的门禁系统从识别的方式来讲安全性高，可靠性高，而且本钱高，对环境要求也高，对用户的要求也高，使用不方便。门禁控制系统是跟随着自动识别技术开展起来的，拥有很大的市场，有很多公司都从事门禁控制系统的生产和开发。在国外的门禁系统有很多品牌，主要有美国的休斯(HID )、摩托罗拉(MOTOROLA)、英国的集宝，以色列的SERVANT等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。目前，国内外研究和开发的门禁控制系统主要是感应式门禁系统和基于生物识别技术的门禁控制系统。在基于生物识别技术的门禁控制系统中主要是以指纹识别为应用的门禁系统使用最广泛。随着计算机技术的开展、图像处理和自动识别技术的提高以与大规模的集成电路的开展，指纹识别系统的体积越来越小，价格也不断的降低，可以广泛应用于门禁系统和其他诸多领域。 无论是感应式的门禁系统还是基于生物识别技术的门禁系统，他们的技术支撑射频识别技术和生物识别技术都比拟成熟。门禁系统作为一种安全保护的产品，主要竞争是在其产品的安全性和可靠性以与性价比上。在一般人看来，基于生物识别的门禁系统都很安全，其实这是一个误解。虽然人体的生物特征是独一无二的，具有唯一性、可靠性和不可替代等优势，从识别的方式上来看确实是非常安全。但是，门禁系统作为一个整体，其整体的安全性不仅包括识别方式的安全，还包括控制系统的安全、系统软件的安全、通信方式的安全以与电源的安全，任何一个局部的安全性能都可以影响到整个系统的安全。指纹式门禁系统在安装时需要在门外安装控制器和指纹识别仪，这样一来门锁的控制线就会露在门外，容易被人打开。虽然指纹式门禁系统的识别方式安全性很高，但是系统的整体安全性还是较差。目前，国外开发使用的门禁系统安全性较高，但是价格也相对较高，智能卡的门禁控制系统的价格从4千到3万不等。国内生产的感应式门禁系统和指纹识别的门禁系统价格与国外同类产品相比要低大约10%50%，但是系统的可靠性相对会差一点。 射频识别技术作为快速、实时、准确的采集信息和处理信息的高新技术，被世界列为21世纪十大重要的技术之一，在生产、销售和物流等领域有着广阔的应用前景，它逐渐成为企业提高物流和供给链的管理水平、降低本钱、实现管理信息化、参与国际经济循环和提高企业竞争力不可缺少的工具和手段。射频识别技术起源于上个世纪40年代的雷达技术，在90年代开始广泛的使用，射频识别技术是利用电磁感应、无线电波或者微波进展非接触双向通信，通过空间耦合交变磁场或电磁场实现非接触信息传递并且通过传递的信息达到识别目的和交换数据的技术。从信息传递的角度来看，在高频段射频识别技术的耦合模型是基于雷达空间探测目标，即雷达首先向空间发射电磁波信号，当遇到目标后该电磁波会携带目标的相关信息返回给雷达。在低频段射频识别技术耦合模型是基于变压器，即初级线圈与次级线圈通过电磁感应的方式来传递信号和能量。射频识别技术是当今信息技术在全球物品编码和物资流通方面的最新应用，射频识别技术的出现，给工业生产、产品配送和日常生活带来了一场前所未有的变革，在物流和交通等很多领域发挥着极其重要的作用，这一技术将会对提高生产效率和促进人类文明的开展产生巨大的影响。1.4.1 RFID的电磁学原理RFID是一种简单的无线系统，射频识别系统由一个读写器和多个电子标签组成，读写器非接触式的对电子标签进展自动识别，通过射频信号自动识别标签并从电子标签那获取相关的数据信息，非接触的自动识别采用的射频信号，即无线电磁波的传输，所以了解相关的电磁学原理和电磁波的传播规律，可以更好的理解和使用RFID系统。 (1 )天线场的概念 读写器与射频标签之间是通过无线电波传输信息的，它们各自的天线构建起了两者之间的非接触信息通道，由电磁传播的根本规律可知，天线周围的场区特性完全的决定了这种非接触的空间信息传播的性能。当射频信号被加载到发射天线上后，在天线紧邻的空间中会产生一个辐射场，在辐射场之外，还有一个非辐射场。辐射场与离天线距离的高次幂成反比，当离开天线的距离逐渐增大时一，辐射场迅速减小。在辐射场的某个区域，电抗常常占有优势，所以将这个区域称为电抗近场区，它的区域X围大约为一个波长的距离。离开无功近场区是辐射场区，根据与天线距离的远近不同，可以将辐射场区分为辐射近场区和远场区。因此根据距离天线远近的不同，周围的场区也会呈现出不同的性质。 1)无功近场区，在无功近场区这个区域中，电抗性的储能场处于支配地位，通常将距离天线/2的场区取为无功近场区。从物理学的概念上来讲，无功近场区其中的电场与磁场是相互转换的，与变压器中的磁场和电场之间相互的转换相类似。无功近场区中假如存在其他的金属物体，它们会对储能场产生影响，这些金属物体可以看成是组合天线的一局部，可以将这些金属物体与原来的天线看着新组成的天线。 2)辐射近场区，无功近场区之外就是辐射近场区，该区域的电磁场已经脱离了天线，不再受天线的束缚，以电磁波的辐射形式进入空间。辐射场区可以根据离开天线的远近不同分为辐射近场区和远场区。对于一般的天线来说辐射近场区也称为菲涅尔区，在该区域辐射场占优势。 3)辐射远场区，又叫做夫朗荷费区，该辐射远场区中辐射的角度分布和天线的距离无关，从严格的意义上说，远场区分布在离天线无穷远的地方。实际上，当达到一定的距离时，辐射场的角度分布就不再受天线的距离的影响，与无穷远时的辐射的角度分布误差很小，在允许的X围之内时，就把该点当作辐射远场区的起点。（2） 天线的方向性图天线的方向性图是指该辐射区域中辐射场的角度分布，因而远场区是天线辐射场区中最重要的一个，辐射近场区与远场区的分界距离R为R=2D2/式中，D为天线的直径，为波长。对于电子标签的射频识别系统来说，标签的大小根本上是固定的且一般很小，因此标签尺寸受到限制，同时标签的尺寸还受到读写器天线的限制，对于射频识别系统来说根本是都是采用L/=1或L/1的天线结构模式。因而根据选择的天线结构模式可以计算出天线周围的场区分布界限和X围。如表1.1所示是根据常用的RFID波长计算出系统的波长和场区的距离估算。表1.1 不同频率的波长场区距离估算值频率f波长/mR1=/2R2=2D2/2222353m(353m)433MHz11cm(11cm)915MHz当系统的工作频率一定时，由天线的结构模式可知，场区边界和X围是由电磁波的波长决定的，无功近场区的边界要满足小于辐射远场区内界，场区的分布与波长和天线有关，当天线的大小与波长相当或者比波长大时，其周围场区的分布大致满足辐射近场的区域在无功近场区和辐射远场区之间。根据天线周围能量辐射的方式不同将天线周围划分为三个场区，场区的划分可以表示天线周围场区的分布规律和特点，在电抗近场区的能量的辐射是以磁场和电场相互转换的形式向外传播的，在辐射场中的能量的传播方式是以电磁波完成的;另外场区的划分可以表示场强的分布情况，场强的分布与离天线的距离成反比，离天线越近场强越强。1.4.2 RFID系统的分类RFID系统可以根据系统完成的功能和系统特性分为不同的类型。 根据RFID系统完成的功能不同，可以将RFID系统分为三种类型，即EAS系统、便携式的数据采集系统和物流控制系统。 1 EAS系统，大局部的射频标签一般只使用在图书馆图书和商店商品上，这种电子标签一般被称为EAS，即电子物品监视器。图书馆、商店和数据中心等地方是这种技术典型的应用场合，当未被授权的物品从这些地方的出入口非法出入时，EAS系统会拉响警报。EAS系统一般由电子传感器、去活化装置和监视器三个局部组成。附着在目标商品和对象上的射频标签，也叫电子传感器;RFID标签去活化装置，对电子标签授权使商品能够正常出入;监视器，对出入口一定区域进展监视。 电子物品监视器的工作原理是，在监视器的一定监视空间内，发射器向接收器发送一定的频率的信号，在商场和图书馆的出入口安装接收器和读写器，形成一定的监视区域。当具有某些特殊特征的电子标签进入到此空间时，会干扰发射器发出的信号，接收器也会接收这种干扰信号，经过控制器的判断和分析后，就会控制报警器拉响警报。 2便携式的数据采集系统，是指手持式的数据采集器上带有射频标签读写器，这种系统的灵活性比拟大，可以移动的读取射频标签的信息，在不宜安装ESA系统的环境下比拟适合便携式的数据采集系统。便携式的读写器可以一边读取数据的同时，一边通过无线数据传输方式向主计算机实时的传输数据，也可以将数据暂时存储起来，等到完成数据采集以后，再将数据传输给主计算机。 3物流控制系统，在给定的区域分散配置固定的射频标签读写器，并且数据管理系统与读写器直接相连，射频标签一般来说是移动的，粘贴在移动的物体上面。当带有RFID标签进入到读写器的识别区域时，射频签上的信息会被读写器自动扫描识别，扫描之后将返回的数据信息发给数据管理系统进展存储、分析和处理，从而达到控制物流的目的。根据系统特性不同也可以对RFID系统进展分类，所有射频识别系统可以按其数据载体的存储能力、密码功能、作用距离和处理速度分类，可以从低档到高档构成整个射频识别系统的谱系，如图1.2所示。图1.2 根据系统特性分类1.4.3 RFID的系统根本模型射频标签与读写器之间通过天线发射电磁波实现二者的数据交换。射频标签与读写器是通过电磁藕合的方式通讯的，电磁藕合方式有两种，近距离通过电感耦合，远距离时通过电磁藕合。射频识别系统的工作过程，始终是通过能量的交换来实现的，数据的传输是通过一定的时序来实现的。在空间传输通道中发生的事件可分为三种事件模型，数据交换通过时序的方式进展的事件模型、为实现数据交换的事件模型和为提供能量的事件模型。 数据交换通过时序的方式进展的事件模型，时序是指电子标签和读写器之间的工作次序，一般来讲有两种时序。一种是RFT (Reader Talks First )，另一种是TTE (Tag Talks First )，这两种时序是读写器防止冲突的协议方式。RFT的时序方式是处于“等待或“休眠状态的电子标签进入读写器的识别区域之内时，读写器发出一定频率的射频信号将电子标签激活，同时电子标签执行相应的读写器命令，然后将执行结果返回给读写器。与RFT方式相反，另一种方式是当电子标签进入读写器的工作X围之内时能把标签自身的信息发送出去，这种方式叫做TTF方式。以TTF为时序工作方式的电子标签被识别的速度相当快，所以经常将TTF方式用在快速移动的场合，例如高速公路上的收费系统;此外TTF方式在防止噪声和处理动态数据方面也很强，因此可以更适用于工业坏境下的追踪。为实现数据交换的事件模型，电子标签与读写器之间的数据通信有两种情形，即读写器向电子标签发送执行和配置命令的数据通信和电子标签向读写器返回执行结果的数据通信。读写器与射频标签之间的数据传输通信是为应用而服务的，数据可以在线写入射频标签也可以离线写入。读写器与应用系统之间的接口通常有多种，每种接口的功能各不一样，应用系统可以根据需要，向读写器发送对应的配置命令，读写器将当前所有可能的读写器配置状态返回给应用系统，应用系统向读写器发送执行命令，读写器将所有的命令执行结果返回给应用系统。 为了给电子标签提供能量的事件模型，读写器向无源射频标签提供工作所需要的能量，当无源射频标签不在读写器的工作区域时，由于没有能量激活电子标签进入休眠状态。当无源射频标签进入读写器射频识别的区域时，射频标签接收到读写器发出的能量，从而激活RFID标签，射频标签通过整流的方式将接收到的射频能量转化为电能存储在标签的电容里，为标签提供工作的能量。对于有源电子标签来说，一直处于激活的状态，与读写器相互作用，因此具有比拟远的识别距离。本文围绕着如何实现安全性高、自动识别认证以与实时性高的智能门禁系统来展开设计和开发，首先是将电子标签作为人身份的载体，然后利用射频识别设备和计算机等硬件来构建门禁控制系统，通过软件编程实现对硬件设备的调用和相互之间的通信最终实现对射频标签的自动识别和门锁的控制。本文的内容组织如下: 第I章，通过对门禁系统的特点、开展趋势和国内外现状的分析和总结，引出课题的研究目的和意义，介绍了射频识别技术的相关原理。 第2章，从射频识别系统的组成出发，详细的介绍了射频识别系统主要技术参数和RFID涉与到的关键技术，分析系统的设计要求和设计原如此，得出门禁系统的总体设计。 第3章，论述系统的硬件设计过程，主要介绍门禁系统的各个模块的硬件电路设计和实现。 第4章，论述系统的软件设计过程，主要表示门禁系统的各个模块软件流程设计和软件协议。第2章 门禁系统的总体方案设计2.1 射频识别的工作原理RFID是一种易于操控、简单实用且特别实用于自动化控制的应用技术，其根本原理是利用射频信号藕合(电感或电磁耦合)或雷达发射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。2.1.1 射频识别系统的组成射频识别系统是由读写器、射频标签和数据管理系统这三局部组成，如图2.1所示。其中，射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都具有一个唯一的识别码，在芯片里保存为一定格式的数据;读写器是可以非接触的读取和写入标签数据的设备，可以通过网络与计算机系统通信，获取射频标签的信息进展解码、识别和数据管理;数据管理系统主要是对数据的存储和管理，并且对电子标签发出读写控制信号。数据管理系统接口模块天线天线射频模块控制模块控制器电源调制器存储器编码器时钟图2.1 射频识别系统的组成读写器是用来读取电子标签的信息和对电子标签执行写操作的设备，可以作为一个单独的整体，也可以作为嵌入到其他系统之中的一个部件。作为一个整体的时候读写器可以单独实现数据的读写和处理等功能，也可以和计算机联合一起完成对射频标签的操作。由于射频标签是非接触性质的，因此必须借助于读写器来完成数据的读写操作，在射频识别系统中，一般都是通过计算机来对射频标签进展操作，用计算机来控制写入或者读出射频标签的数据。读写器的主要功能如下：完成读写器与射频标签之间的通信功能，在规定的条件下，读写器可以和射频标签进展通信。读写器可以通过标准的网络接口(如RS-232,、RS-485、以太网接口)与计算机之间进展通信，并且提供读写器的电子编码、读写器读出射频标签的实时时间和读出的射频标签的信息，以实现读卡器在网络中正常运行。能够在读写器工作的区域内同时读写多个射频标签，具备防冲撞的功能。能够校验数据传输过程中的错误信息。对于有源的射频标签，能够识别电池的电量等相关信息。典型的读写器包括控制射频模块、控制模块、接口模块以与读写器的天线。许多读写器还有网络接口，可以方便的将获得的数据发送给应用系统或者从应用系统中承受相应的命令。 读写器正确的接收和解码信息后，读写器通过一定的算法对数据进展校验后决定是通知发射器停止发送信息还是告诉发射器接收到的信息错误需要进展重发，这就是读写器与电子标签之间命令的相应协议，使用这种协议可以在很小的空间和很短的时间内对多个电子标签同时进展识别，而且还可以有效的防止欺骗问题的产生。 射频标签又叫应答器或者ID卡，是RFID系统的数据载体，它由耦合元件和电子标签专用芯片组成，其中芯片模块由存储器、存取控制和射频接口三个局部组成。每个标签都具有唯一的识别码。电子标签粘贴目标对象上，当读写器查询时，射频标签把存储的信息发射出去。射频标签可以存储相应人员的一些数据信息，并且根据需要可以分别进展管理，还可以根据需要的不同制作新的标签，射频标签中的内容在被改写的同时，也可以永久锁死保护起来。 现在常用的标签一般是有带内存的集成电路组成的，它实际是一个有内存的微处理器，射频标签的根本任务是读内存、写内存，或者用其他的方式处理内存中的数据。 根据不同的方式，可以对ID卡进展分类，根据ID卡内存属性可分为3种，只读、写一次读屡次和可读写屡次。根据供电方式不同，可以分为有源、无源和半无源的ID卡。有源ID卡其内部有电池，射频标签的电源由电池供给，同时标签电池的能量供给也局部转换成射频标签与读写器通信所需要的能量。无源射频标签没有内装电池，只能从读写器产生的电磁场中通过藕合的方式获得电能，一般用整流的方式将射频能量转换成直流电源并且存储在标签的电容中，无源射频标签具有体积小、重量轻和价格低的优点，但是其工作距离和通信速率都不与有源射频标签。半无源射频标签介于二者之间，只局部依靠电池来工作。 数据管理系统的主要任务是对数据进展存储和管理操作，对射频标签发出读写控制信号，数据的写入操作一般是离线完成的，也就是说将需要写入标签的数据在第一次操作的时候就写入标签中，应用时只需要将标签直接粘贴在目标物体上。当在生产坏境中需要将信息作为交互式数据文件来处理时，一些RFID的应用系统的写数据是通过在线完成的。 读写器是通过天线来与射频标签进展通信的，可以读出射频标签的电子编码和其内存中的数据以与对标签的写入操作。典型的读写器包括高频局部、控制单元和天线等模块。 射频识别系统是由射频标签和读写器组成的，最终是为应用服务，来适应各种各样可能的应用需求，可由应用系统开发工具调用标准的接口函数来实现读写器与应用系统之间的接口API函数。标准API接口函数的功能包括4个方面:系统向读写器发出各种控制命令;读写器向系统返回所有命令执行后的结果;系统根据需要向读写器发送相关的配置命令;读写器向系统返回所有读写配置的状态。 射频识别系统的是按照一定的流程来工作的，首先读写器通过发射天线向电子标签发送一定频率的射频信号，此时进入发射天线的工作X围的电子标签时会产生一定的感应电流，射频标签通过耦合的方式获取能量，然后把存储在芯片内的编码信息发送出去，或者电子标签主动向读写器发送一定频率的信号，把电子标签的电子编码信息发送出去;天线在收到电子标签发送过来的载波信号后传给读写器，读写器对收到的信号解调和解码，然后将解调后的数据发送给数据管理系统进展处理;数据管理系统根据相应的逻辑运算和程序对判断该射频标签的合法性，之后针对不同的设置做出相对应的处理和控制，并发出指令信号，控制执行机构动作2.1.2 调制方式和能量传递射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离，射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射频标签和读写器的配合情况密切相关。射频识别系统包括电子标签、读写器和天线等几个局部，射频识别系统是通过电磁波来完成的读写器与标签之间的通信的，根通信距离的远近不同可以分为近场和远场通信，相应的射频标签和读写器之间的数据调制方式也不同，在近场区时采用负载调制，而在远场区如此采用的是反向散射调制方式。 在近距离低频段中，读写器与射频标签的能量交换方式是电场与磁场的相互转换类似于变压器初级线圈与次级线圈的电磁耦合，通过准静态的电场和磁场耦合来实现数据交换的，在这种情况下的调制方式就叫做负载调制，在125KHz和13.56MHz的射频识别系统中广泛应用负载调制的方式。当读写器与标签天线之间的距离较远而数据信号载波的波长又仅有几厘米和几十厘米时，这时就不能通过负载调制的方式实现数据交换，而是采用的基于雷达空间探测目标的调制方式，读写器响向空间发射电磁波信号，当遇到标签目标后该电磁波会携带标签的相关信息返回给读写器，从而实现数据的交换，这种能量的传输方式称为反向散射调制，在915MHz和2.4GHz这种典型的远场射频识别系统中广泛应用。反向散射调制方式是基于雷达探测空间目标的，首先向周围空间发射电磁波信号，该电磁波信号在空间可能会遇到各种不同的目标，遇到的目标会吸收一局部能量，另一局部能量被目标反射出去，以不同的强度向各个方向散射。反射的能量有一局部最终返回到发射天线，根据对反射回来的信息进展分析处理可以识别空间的目标信息，在雷达技术中用这种方式探测目标的距离和方位。对射频识别系统来说，距离较远时可以采用反向散射调制的方式，利用电磁波遇到标签后会反射一局部能量给读写器来实现标签与读写器之间的数据传输。1读写器到射频标签的能量传输在距读写器R的射频标签处的密度为：(2-2)式中，P读为读写器的发射功率；G发为发射天线的增益；R是标签到读写器的距离；EIRP为天线有效辐射功率，是指读写器的发射功率与天线增益的乘积。在射频标签和发射天线最优对准和正确极化时，射频标签可吸收的最大功率与发射波的功率密度S成正比，可表示为 (2-3)其中，；G标签为射频标签的天线增益，因而有2-4无源射频识别系统标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越短，性能越差。现代低功耗的IC设计能降低射频标签功功耗，射频标签能否工作主要由射频标签的工作电压来决定，这也限制了无源射频识别系统的识别距离。2射频标签与读写器的能量传输是目标反射电磁波能力的一个指标，雷达散射的截面越大，射频标签返回的能量也就会越多，相反目标的散射截面越小反射回来的能量也就越小，反射的能量与成正比。散射截面与目标的物理特性相关，散射截面取决于目标的大小、形状和材料的结构等参数，由相关的参数可以得出标签返回的能量为(2-5)因而返回的读写器功率密度为 (2-6)由上式可知，假如以接收的标签反射能量为标准，反向散射的射频识别系统的作用距离与读写器发送功率的4次方成正比。接收天线的有效面积为2-7式中，G接为接收天线增益，可以得出接收功率为 (2-8)2.1.3 数据的安全性.射频识别系统是使用电磁波来传递数据的，采用这种非接触的方式传递数据很容易受到空间环境噪声和其他电磁波的干扰，使数据在传输过程中发生改变，从而产生传输的错误。通常采用各种校验的方法来解决数据的检错与纠错这个问题，奇偶校验是比拟简单的校验方法也是最常采用的方法之一，纵向冗余和循环冗余校验相对较复杂但是具有较高的检错能力且具有一定的纠错能力。使用这些校验方法可以识别传输中产生的错误，对错误的数据位进展纠正或者舍弃当前错误的数据要求系统对错误的数据进展重发。奇偶校验是广泛使用的一种校验和法，使用简单且具有一定的检错能力。奇偶校验和法是每一字节最后组合一位奇偶校验位一起传输，每个字节发送9个数据位，对要发送的字节可以采用奇校验和偶校验两种校验法，例如奇校验是先检查要发送字节数据中“1的个数，假如“1的个数为奇数，如此在校验位上补上“0，反之如此在校验位上补“1，在接收端对的收到的数据采用一样的校验方法进展校验，如果发现实际校验位不对，如此认为传输过程中发生了错误，这种方法虽然简单易操作但是错误识别能力较低，只有当错误的数据位为奇数个时才能识别出来，如果发生的错误数为偶数，奇偶校验就无法了。 相对于奇偶校验，CRC校验具有较强的可靠性和较高的识别传输中产生的错误的能力，循环冗余校验也不具备纠错能力，只能发现错误的数据位。与奇偶校验一样CRC校验也是采用的附加校验位的方法对数据进展校验的，只是得出校验位的算法不一样，CRC校验中的数据校验位由当前的数据块计算出来的，检验位附在数据块后面与数据块一起发送。在接收端，对收到的数据块按照CRC校验和的方法重新计算校验位，将收到的校验位和重新计算的数据位比照，从而判别数据在传输过程中是否出错。从数学的角度来看，循环冗余算法是将数据看成一个多项式，用要校验的数据生成的多项式去除以另外一个多项式，得到的余项即为CRC循环冗余算法的校验位。循环冗余算法的计算包括了CRC值的数据字节的计算和数据块中所有字节的CRC值的计算，数据块中的每一个数据都要用来计算整个数据块的CRC值。 在传输数据块时，根据CRC检验和法读出CRC的校验位，然后将CRC校验值附在要发送的数据块后面与数据块一起传输，如图2.2所示。在数据接收端，收到数据后采用同样的方法对所有接收数据的CRC校验和进展计算，其结果为0如此说明传输的数据正确，相假如计算出的CRC校验和不是0，如此说明数据块在传输的过程中由于干扰或者衰减产生了错误，用零校验的方法不需要经过代价很高的校验和比拟过程，很容易分析CRC的校验和，从而判断数据传输的正确性。接收数据CRC校验发送数据467A6E6172807AE56E61724680E50000CRC校验图2.2 CRC校验在同一时间内对多个电子标签同时识别时射频识别系统的一个优点，在读写器的识别区域内，有可能会有多个电子标签在同一时间内同时存在，这时射频识别系统需要与多个电子标签通信对多个电子标签同时进展识别。这时的系统中存在两种通信，从电子标签到读写器的通信和读写器到多个电子标签的之间的通信。在读写器的识别空间内有多个标签同时给读写器发送数据，这种从多个电子标签到读写器的通信采用的是多路存取的方式。由于多个标签的同时存在，读写器到多个电子标签的通信采用无线广播的方式，即读写器对多个电子标签同时发出信息，这种方式通信方式也叫做广播方式。在多路存取中，每个通信链路的容量都是有规定的，通信电路的容量由该链路使用的时间片和链路中最大数据传输率来确定，在分配标签的链路容量时要确保多个电子标签同时发送数据不能相互碰撞。 近年来，随着科技的开展，大规模的集成电路技术不断的进步，电子产品的本钱在不断的下降，RFID也得到越来越广泛的应用。以前在开发和设计RFID时忽略了安全性的问题，导致的安全性问题日益严峻，这些安全性的问题成为了制约了RFID系统的开展，RFID系统是一个安全性比拟重要的系统，如果信息安全机制不可靠，电子标签中的数据信息将无法得到有效的保护，射频标签中的数据信息如果被不法分子截取或者被恶意篡改，对物流的保障将有可能带来无法估量的损失。同时，射频标签中的数据信息安全机制如果不可靠，还有可能向邻近的射频识别器泄漏标签中的敏感信息，而且还存在容易被跟踪和干扰等安全隐患。如果不能充分的保证射频标签中数据信息的安全性，标签中的个人信息很容易被不法份子截取和利用，这势必会对人身安全和财产安全造成重大的影响。 RFID系统是在自动识别时采用的是非接触的方式，要确保射频识别系统的安全性就要采取一定的安全防X措施，RFID系统容易存在以下的安全性问题:未经授权地读取射频标签，复制或改变标签中的数据信息;将非法未得到读写器授权的标签置入某个读写器的识别的区域内，企图骗过读写器非法进入建筑物内或骗取不付费的服务;使用未授权的电子标签冒充合法的数据载体，窃听射频标签的通信并试图篡改标签数据。针对这些安全隐患，RFID系统需要采取一定的安全手段，常用的安全防X手段有加密的数据传输、采用相互对称的鉴别方式和利用导出密钥对标签进展鉴别等。对称算法是确保通信安全的一种相互确认方式，是指对数据信息进展加密和解密采用同样的密钥，密钥的某某程度完全决定了这种算法的安全程度，另外还存在密钥分发困难的缺点。标签和读写器的密钥K是一样的，当某读写器的识别X围内出现某个标签时，读写器首先对参与通信的射频标签是不是属于同一应用系统做出断定。一方面读写器要防止假冒的电子标签伪造数据，另一方面，对于电子标签来说，也需要防止读写器未经认可的对标签进展读取或重写存储数据的操作。读写器与电子标签之间的相互鉴别过程是读写器首先对电子标签发送“查询命令，如图2.3所示。令牌2令牌1随机数A1查询口令标签密钥K读写器密钥K图2.3 相互鉴别过程读写器与电子标签在通信过程开始相互鉴别时，读写器首先对电子标签发送查询口令，电子标签收到查询口令后就会中生成一个随机数RA1，并且将这个随机数返回给读写器，读写器收到标签产生的随机数后同样在读写器中产生一个随机数RB。读写器和电子标签使用同样的密码算法EK和一样的密钥K，读写器根据密钥K和密码算法得出一个数据块(令牌1)，令牌1中包含了标签和读写器产生的两个随机数和附加的控制数据，然后再将加密的数据块发送给电子标签。令牌1=EK(RA1,RB,IDA，明文1)标签收到的读写器发来的加密数据块(令牌1)之后将其译码，然后从译码后的明码报文中读取随机数RA，将开始发送的随机数RA1和随机数RA进展比照，比拟的结果如果是RA1和RA两者一致，如此可以确认电子标签和读写器的共有密钥是一致的，然后在电子标签中再生成一个随机数RA2，并同样根据密钥K和加密算法算出一个加密的数据块(令牌2)，令牌2中包含了RB和附加的控制数据，标签加密的数据块令牌2发给读写器。令牌2=EK(RA2,RB,明文2)读写器收到数据后对令牌2进展译码，从译码中读取并与原来发送的RB比照看两者是否一致，如果发现RB和RB一致，如此读写器也确定了与电子标签两个共有的密钥是一致的，此时标签和读写器均已确认通信的双方是属于同一应用系统，确定了双方通信的合法性，可以开始更进一步的通信。相互鉴别的方法虽然可以确定通信双方的合法性但是也存在一些缺点，密钥K是共有的，属于同一应用系统的射频标签采用的密钥K是一样的。这对于具有大量射频标签的应用系统来说是使用一样的密钥K是一种潜在危险，