基于射频识别技术的门禁系统研究

基于射频识别技术的门禁系统研究

姓名：陈锦申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：谭思云

20100501

武汉理ｊｆ大学硕＋学位论文摘要随着社会经济和科技的飞速发展，射频识别技术越来越广泛的应用于各种行业，特别是身份识别和安防等行业，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，成本也较高。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。首先分析了门禁系统的国内外发展现状和趋势，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，对射频识别技术进行了阐述，分别从射频识别技术的基本概念和工作原理两部分进行了阐述。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涉及到的关键技术。再次，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讯方式进行数据传输，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。最后对论文进行总结，概括了本课题的研究内容和研究成果，给出项目还需要改进的地方，并展望了未来ＲＦＩＤ技术的发展前景。关键词：射频识别，门禁控制器，ＩＤ卡，智能门禁ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｓｏｃｉａｌｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｖａｒｉｏｕｓｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｒｅｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｓｅｃｔｏｒｓ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｔｈｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｓｅｃｕｒｉｔｙｓｙｓｔｅｍａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｌｅｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｕｉｌｄｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｅｄｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｏｃｋｓ，ａｎｄｃｒｅｄｉｔｃａｒｄｉｓｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．，ｒｅｑｕｉｒｅｃｌｏｓｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｓｕｍｅｒ＇ｓａｎｄｈａｎｄｓｏｃｃｕｐｉｅｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｈｉｇｈｅｒ．Ｒａｄｉｏｒａｄｉｏｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ａｎｄｅａｓｉｌｙｌｏｓｔ，ｃｏｐｙｉｎｇｕｎａｕｔｈｏｒｉｚｅｄｕｓｅ，ｃｏｓｔｓａｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍａｋｅｓｕｐｆｏｒｔｈｅｓｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ，ａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｂｅｌｓａｒｅａｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ，ｒｅａｄａｎｄｗｒｉｔｅｓｐｅｅｄ，ｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｏｆＲＦＩＤｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｉｇｎｅｄｕｓｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｈｉｇｈ．ｓｅｃｕｒｉｔｙｓｍａｒｔａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｈｅＲＦＩＤｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｑｕｉｃｋｌｙａｃｃｅｓｓｃｏｎｆｉｒｍｔｈａｔｔｈｅｓｔａｆｆｏｆｔｈｅｔｒｕｅｉｄｅｎｔｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍ．Ｗｈｅｎｕｓｅｒｓｅｎｔｅｒｔｈｅａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒａｎｇｅ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｏｂｔａｉｎｉｄｅｎｔｉｔｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｐｅｒｓｏｎｕｓｉｎｇｔｈｅｍｉｓｎｏｔａｌｅｇｉｔｉｍａｔｅｕｓｅｒｓ，ａｎｄｒｅｃｏｒｄｅｎｔｒｙｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｉｌｌｅｇａｌｉｎｔｒｕｄｅｒａｌａｒｍｓｉｇｎａｌ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｈａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｎｔｒａｎｃｅｇｕａｒｄｓｙｓｔｅｍｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｎｄｅｎｃｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｅｌａｂｏｒａｔｅｄｔｈｅｅｎｔｒａｎｃｅｇｕａｒｄｓｙｓｔｅｍｃｕｒｒｅｎｔｅｘｉｓｔｅｎｃｅｑｕｅｓｔｉｏｎ，ｄｒａｗｓｏｎｏｕｔｔｈｅｔｏｐｉｃｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｇｏａｌａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，ｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｇｕａｒｄｔｈｅｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｅｎｔｒａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｐｌａｎ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｏｎｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｓｔａｒｔａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｆｒｏｍｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｏｒｋｓｉｎｔｗｏｐａｎｓ．ＦｒｏｍｒａｄｉｏｆｕｌｌｄｅｔａｉｌｓｏｆｒａｄｉｏａｎｄｓｙｓｔｅｍｏｆｇｉｖｅｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙＲＦＩＤｋｅｖｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｖｏｌｖｅｄ．ｗｏｒｋｓ，ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＡｇａｉｎ，ｄｅｔａｉｌｓａｂｏｕｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’Ｓｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｄｅｓｉｇｎｏｕｔｇｕａｒｄｓｙｓｔｅｍＲＦＩＤｃａｒｄｓ，ａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＬＦｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇａｎｔｅｎｎａｓａｎｄＩＩ武汉理ｒ：人学硕十学位论文ｏｔｈｅｒｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔ．ＲＦＩＤｃａｒｄａｎｄｓｗｉｐｅｕｓｅｄｂｅｔｗｅｅｎｄｕｐｌｅｘｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｒｅａｌｉｚｅａｒａｐｉｄｒｅｓｐｏｎｓｅｓｙｓｔｅｍ．ＯｎｔｈｅＳｅｌｅｃｔｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｃｈｉｐｓ，ｈａｒｄｗａｍｄｒｉｖｅｒｓ，ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｐｒｏｇｒａｍｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｔａｉｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ，ｇｉｖｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｊｅｃｔａｌｓｏｎｅｅｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲＦＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＦＩＤ，ＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＩＤＣａｒｄｓ，ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＡｃｃｅｓｓＩＩＩ独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导‘卜．进行的研究：ｆ作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理Ｔ大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同１：作的同志对本研究所做的任何贡献均己住论文中明确的说明并表示了谢意。研究生签名：雌日期＿］纽趔关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）研究生。签孙丝萃翩。签孙叠望立吼啦泷武汉理＿－Ｊｊ人学硕士学位论文第１章绪论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科学技术飞速发展，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。我国经济的快速发展，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行盗窃和抢劫等违法犯罪行为，造成了人们的人身和财产安全的隐患，人们寄只有希望于更安全、更可靠的安全防范措施，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，对进出人员进行控制，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，材料多么孥固，总可以通过某种非正常的手段打开，因此安全性差。在科技飞速发展的今天，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基础上开发出来的川。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，将一部分大门、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、通行人员以及通行时间、方向等进行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发达国家和地区一些重要场合其中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范作用。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武汉理工大学硕十学何论文的５７．８％，闭路电视监控及其他报警设备销售总额仅占３９．２％，另外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１２】。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劫、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。目前，智能化已成为自动化领域新技术、新方法和新产品的发展趋势和标志，智能化迅速扩展到仪器、仪表、设备以及整个大系统之中。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【３１。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，这就需要丌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。在我国Ｉｃ卡行业的发展起始于１９９３年左右，当时对ｌｃ卡行业非常重视，远瞩，国家大力发展我们自己的Ｉｃ卡事业，建立了“金卡工程”【４】。已成功丌发出了我国自主版权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，极大的了我国Ｉｃ卡事业的发展，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发展阶段。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２武汉理．Ｉ：人学硕十学位论文分析和研究了其中的一个重要部分一门禁控制系统。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门禁系统的发展门禁系统到底是如何发展起来的呢？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，以及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，是早期门禁系统的基本功能。随着社会的不断发展，门禁系统也逐步的发展进步和智能化。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，人们的安全防范意识也不断的提高，出现了安全性能越来越高的门锁设备ｐＪ。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。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发展，门禁系统显示出了它强大的发展空间，电子锁不断成熟发展起来，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门，智能ＩＣ卡具有一定的存储能力和运算处理能力，通过对ＩＣ卡进行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，它自身不可克服的缺点成为智能ＩＣ卡门禁系统发展的障碍。通信的全球化和网络信息的飞速发展，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。随着数字化的普及和发展，数字３武汉理Ｉ：人学硕十学位论文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【６】。控制处理模块是门禁控制系统所有功能和组念方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防范能力以及对同常工作的管理。上个世纪８０年代，计算机技术飞速发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，图像设备的引入和发展，以及图像处理的算法为指纹识别应用提供了条件，大大促进了生物识别的门禁系统的发展和应用。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行出入的控制，研究表明，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【＿７１。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。由于这些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，而且成本高，对环境要求也高，对用户的要求也高，使用不方便。１．３门禁系统的国内外现状门禁控制系统是跟随着自动识别技术发展起来的，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丌发。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【ｓ】。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。随着计算机技术的发展、图像处理和自动识别技术的提高以及大规模的集成电路的发展，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较成熟。门禁系统作为一种安全保护的产４武汉理Ｉ：大学硕十学位论文品，主要竞争是在其产品的安全性和可靠性以及性价比上。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、通信方式的安全以及电源的安全，任何一个部分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干到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％，但是系统的町靠性相对会差一点【引。１．４射频识别技术简介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应链的管理水平、降低成本、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行非接触双向通信，通过空Ｉ’日Ｊ耦合（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ，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的，即雷达首先向空ｆ’日Ｊ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。在低频段射频谚｛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束传递信号和能量【１０１。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５武汉理Ｉ：人学硕＋学１『奇＝论文产效率和促进人类文明的发展产生巨大的影响。１．４．１ＲＦｌＤ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行自动识别，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，可以更好的理解好使用ＲＦＩＤ系统【１９１。（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，由电磁传播的基本规律可知，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，当离丌天线的距离逐渐增大时，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，它的区域范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的不同的性质。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，通常将距离天线耽兀范围内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。无功近场区中若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着是组合天线的一部分，可以将这些会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６武汉理．１：人学硕十学位论文时的辐射的角度分布误差很小，在允许的范围之内时，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＝２Ｄ２／五（１．１）式中，Ｄ为天线的直径：为天线的波长；Ｄ口五。对于电子标签的射频识别系统来说，标签的大小基本上是固定的且一般很小，因此标签尺寸受到，同时标签的尺寸还受到读写器天线的，对于射频识别系统来说基本是都是采用Ｌ／２口ｌ或Ｊ乙／Ａ＜ｌ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范围天。如表２．１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波长名／朋Ｒｉ＝五／２万足＝２Ｄ２／五Ｄ＝０．１ｍ＜１３５舭４３３ＭＨｚ＞２２２０．６９３０．３２８Ｏ．１２２＞３５３ｍ（＞３５３ｍ）（＞１１ｃｍ）１１锄５．２ｃｍ１．９ｃｒｎ９１５ＭＨｚ２．４５ＧＨｚ６．１锄１６．４ｃｍ当系统的工作频率一定时，由天线的结构模式町知，场区边界和范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。７武汉理ｊＪｊ人学硕十！学位论文１．４．２ＲＦＩＤ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【泊】。（１）ＥＡＳ系统，大部分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部分组成。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行监视。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较大，可以移动的读取射频标签的信息，在不宜安装ＥＳＡ系统的环境下比较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臀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Ｉ延域时，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行存储、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Ｉｊ丁以对ＲＦＩＤ系统进行分类，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２．２所示。武汉理。Ｉ：人学硕士学位论文复杂程度具有密码功能自身拥有操作系统有抗碰撞功能简单系统４８１６３２６４１２８２５６ｌＸ２Ｋ４Ｋ１６Ｋ３２Ｋ６４ＫＢ图１－２根据系统特性分类１．４．３ＲＦＩＤ的系统基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耦合的方式通讯的，电磁耦合方式有两种，近距离通过电感耦合，远距离时通过电磁耦合。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柬实现的。在空问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行的事件模型、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行的事件模型，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（ＲｅａｄｅｒＴａｌｋｓＦｉｒｓｔ），另一种是ＴＴＥ（ＴａｇＴａｌｋｓＦｉｒｓｔ），这两种时序是读写器防止冲突的协议方式。鼬叮的时序方式是处于“等待”或“休Ｈ民”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范围之内时能把标签自身的信息发送出去，这种方式叫做丌Ｆ方式。以１ｖｒＦ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。９武汉理Ｉ：人学硕十学何论文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，各种接口的功能各不相同，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罩，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，因此具有比较远的识别距离。１．５本文的研究内容本文围绕着如何实现安全性高、自动识别认证以及实时性高的智能门禁系统来展开设计和丌发，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柬构建门禁控制系统，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ｌ章，通过对门禁系统的特点、发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涉及到的关键技术，分析系统的设计要求和设计原则，得出门禁系统的总体设。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，主要叙述门禁系统的各个模块软件流程设计和软件协议。第５章，对论文进行总结，概括本课题的研究内容和研究成果，并展望了未来ＲＦＩＤ技术的发展前景。ｌＯ武汉理Ｉｊ人学硕’｝：学位论文第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，其基本原理是利用射频信号耦合（电感或电磁祸合）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部分组成，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，在芯片罩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行解码、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。读写器电子标签数据管理系统●’电源接口控射●’¨匍模块频模块●◆模块天·线天线。控制器，存储器Ｉ调制器●编码器●时钟图２．１射频识别系统的组成结构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行操作，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：武汉理ｌ：人学硕士学位论文１）完成读写器与射频标签之问的通信功能，在规定的条件下，读写器可以和射频标签进行通信。２）读写器可以通过标准的网络接口（如ＲＳ．２３２、ＲＳ－４８５、以太网接口）与计算机之间进行通信，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。３）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。４）能够校验数据传输过程中的错误信息。５）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、接口模块以及读写器的天线。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接受相应的命令。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行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行重发，这就是读写器与电子标签之｜’日Ｊ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行识别，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部分组成。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行管理，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【ｌ４１。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，射频标签的基本任务是读内存、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卡进行分类，根据ＩＤ卡内存属性可分为３种，只读、写一次读多次和可读写多次。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应也部分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耦合的方式获得电能，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１２武汉理丁大学硕十学位论文标签具有体积小、重量轻和价格低的优点，但是其工作距离和通信速率都不及有源射频标签。半无源射频标签介于二者之间，只部分依靠电池来工作【Ｉ５１。数据管理系统的主要任务是对数据的进行存储和管理操作，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行通信的，可以读出射频标签的电子编码和其内存中的数据以及对标签的写入操作。典型的读写器包括高频部分、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问的接口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范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行处理：数掘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问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部武汉理ｊＩｊ大学硕士学位论文分，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，根据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，而在远场区则采用的是反向散射调制方式【２０】。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问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部分能量，另一部分能量被目标反射出去，以不同的强度向各个方向散射。反射的能量有一部分最终返回到发射天线，根据对反射回来的信息进行分析处理可以识别空ｆｎＪ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｝兑，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部分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离读写器Ｒ的射频标签处的功率密度为Ｓ＝＆嚷／４ｎ－Ｒ２删／４万Ｒ２Ｒａｄｉａｔｅｄ（２－２）式中，只为读写器的发射功率；魄为发射天线的增益；Ｒ是标签到读写器的距离：ＥＩＲＰ（ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＩｓｏｔｒｏｐｉｃＰｏｗｅｒ，等效各向同性辐射功率）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佳对准和正确极化时，射频标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度Ｓ成正比，可表示为嚷签＝４ｓ（２－３）其中，＜－－，ｚ２Ｇ鹇／４ｎ＂；Ｇ糕答为射频标签的天线增益，因而有１４武汉理．【：人学硕士学位论文吃答号４ｓ＝五２Ｇ纛箍Ｓ／４ｚｒ＝２２Ｇｋ够ＥＩＲＰ／１６，ｒ２Ｒ２（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ｌＣ设计能降低射频标签功耗，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仃是目标反射电磁波能力的一个指标，雷达散射的截面盯越大，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，反射的能量与仃成币比。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网的能量为＆回＝Ｓｃｒ＝ｐ读Ｇ发ｃｒ／４７ｒＲ２＝胁／４刀Ｒ２＆回吨回／４ｚｔＲ２＝＆Ｇ发ｃｒ／１６７ｒ２Ｒ４（２·５）因而返回的读写器功率密度为（２－６）由上式可知，若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４＝名２Ｇ接／４７ｒ式中，Ｇ旌为接收天线增益，可以得出接收功率为（２－７）嚷收书返回Ａ２Ａ２＆皈盯Ｇ接／６４７ｒⅢＲ２．１．３数据的安全性（２－８）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掘的检错与纠错这个问题，奇偶校验是比较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，对错误的数据位进行纠正或者舍弃当前错误的数据要求系统对错误的数据进行重发。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，侈，ＪＯｎ奇校验是先检查要发送字节数据中“ｌ＂的个数，若“ｌ”的个数为奇数，则在校验位上补上“Ｏ＂，１５武汉理Ｉ：人学硕十学｛奇：论文反之则在校验位上补“ｌ”，在接收端对的收到的数据采用相同的校验方法进行校验，如果发现实际校验位不对，则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，如果发生的错误数位偶数，奇偶校验就无法识别了。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。于奇偶校验一样ＣＲＣ校验也是采用的附加校验位的方法对数据进行校验的，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对比，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校验和进行计算，其结果为Ｏ则说明传输的数据Ｊ下确，相反若计算出的ＣＲＣ校验和不是０，则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较过程，很容易分析ＣＲＣ的校验和，从而判断数据传输的正确性。发送数据ＣＲＣ校验Ｃｌ配校验图２－２ＣＲＣ校验１６武汉理Ｉ：人学硕１：学位论文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行识别。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柬确定，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，随着科技的发展，大规模的集成电路技术不断的进步，电子产品的成本在不断的下降，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，导致的安全性问题同益严峻，这些安全性的问题成为了制约了ＲＦＩＤ系统的发展，ＲＦＩＤ系统是一个安全性比较重要的系统，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范措施，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，常用的安全防范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行鉴别等。对称算法是确保通信安全的一种相互确认方式，是指对数据信息进行加密和解密采用同样的密钥，密钥的保密程度完全决定了这种算法的安全程度，另外还１７武汉理Ｉ：人学硕十学位论文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，当某读写器的识别范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行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。夯洵口令随机数Ａ１标签（密钥Ｋ）令牌１读写器（密钥Ｋ）令牌２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尺∥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凡。读写器和电子标签使用同样的密码算法Ｅｒ和相同的密钥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ｌ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ｌ＝取（一。，心，ＩＤ』，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尺：，将丌始发送的随机数Ｒ．．和随机数Ｒ：进行对比，比较的结果如果是尺。和尺：两者一致，则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Ｒ．，，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中包含了尺。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＝取（尺．，，Ｂ，明文２）读写器收到数据后对令牌２进行译码，从译码中读取并与原来发送的如对比武汉理１：人学硕七学位论文看两者是否一致，如果发现尺：和凡一致，则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是相同的。这对于具有大量射频标签的应用系统来说是使用相同的密钥Ｋ是一种潜在危险，因为标签的密钥很有可能被破解。如果对每个标签都使用不同的密钥Ｋ来加密，就可以在很大程度上避免这种危险，每个标签采用不同的密钥的方法叫做利用导出密钥的鉴别法【２３１。２．２系统设计的要求和原则门禁系统是安全防护系统，要确保人员和财产的安全，门禁系统作为智能化和安全性高的安防设备，要求整个系统能够自动运作，在不需要人为的干预下就对用户的身份进行自动识别并做出正确的判断。要保证这种安全保护系统需在任何应用场合下自适应性和操作的可靠性就需要在该系统中加入智能化机制，而门禁系统是通过非接触与标签进行通信的，射频卡中检测电路的性能决定了这种免提操作系统的可靠性。读写器与标签的通信是双向通信的过程，在整个通信过程中涉及到了智能无线通讯，ＩＤ卡发送和接收信息是由ＩＤ卡的检测电路来控制的，检接收信息时，检测电路首先收到控制器发送来的低频唤醒信号然后开始接收门禁控制器发射的ＲＦ信号。门禁系统的双向通信过程由两个单元共同完成的，一个是由微处理器和一个高频发送器组成的ＩＤ卡单元，，另一个是由微处理器和一个高频接收器构成门禁控制器单元。当用户按下发送器按钮时就启动发送程序，ＩＤ卡首先对要发送的代码进行加密处理，然后把加密后的信号传输给门禁控制器。这种简单的通信系统过程并不具备智能化的特点，智能化的通信系统具有一些特点：①系统可以１００％的，不需要其他的控制部件就可以单独的完成通信过程；②系统自动运行和自动操作，不需要用户的干预，系统能够对用户的身份进行自动检测和并且发送命令信号；１９武汉理Ｔ大学硕七学何论文③智能化的系统可以自己学习并适应不同的环境，当存在噪音干扰时，可以Ｊ下常工作，并且能够自动排除噪音确保通信的畅通。根据智能化无线通信系统的特点，要实现智能无线通讯则系统指标应该满足以下要求：①系统的性价要高门禁系统在国内外有很多生产和研发单位，因此门禁系统是对生产成本要求比较高，在形形色色的门禁系统市场中，只有性价比高的产品才具有市场竞争力，在激烈的竞争中胜出，所以，在设计门禁系统时，需要优先考虑的产品的成本问题。②ＩＤ卡的功耗低且体积小ＩＤ卡需要用户随身携带，因此要求ｍ卡体积要小，另Ｊ＇ｌ－ｌ－Ｊ禁系统是安防设备，要求使用的时间能够越久越好，所以当系统中采用的有源ＩＤ卡时就要考虑ＩＤ卡内电池的使用寿命，要求有源ＩＤ卡的电池最好可以使用一年以上，因此在设计系统时就必须考虑采用低功耗的器件才能达到这个指标，系统大部分时间是处于休眠或者待机模式，要求系统能为低功耗模式提供极低的电流维持系统的运行。③通信安全和距离作为安防系统就必须保证数据在通信过程中的安全性，门禁控制系统的工作环境一般比较恶劣，受噪声干扰比较严重，因此要求系统能适应噪声干扰的环境，另外ＩＤ卡的通信是使用无线射频信号，由于无线发射功率受到管制且系统要求在低功耗的环境下运行的问题，要提高通信的距离就不能通过提高发射功率和发射频率来实现。在噪声干扰比较严重的情况下，有效的提高系统的通ｆ挲巨离是设计系统时要考虑的又一重要内容【２４１。高智能化和高安全性的门禁系统要求实现高性能的识别和监控性能，系统就必须具有实用性、安全性、稳定性和可扩展性等特点，所以在设计门禁系统时就按照这些特点来考剧２９１。①实用性，门禁系统是一项应用系统，因此系统的设计不能华而不实，应该符合实际应用的需要。如果在设计系统时盲目的追求高端性和超前性，可能会与实际应用和需要偏离，造成投资过大而不符合实际需要。系统的设计必须遵循符合实用性。武汉理工人学硕十学位论文②安全性，门禁系统作为一项安防设备，其本质是保护人身好财产的安全，所以它配件和其他设备必须能够安全可靠的运转且具有可靠性，同时还应该符合相关的安全标准。要充分考虑到控制计算机和门禁系统的配置的可靠性，且应该具有相应的认证。③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问断的运行，所以稳定性对于门禁系统来说就显得非常重要。④可扩展性，随着科学技术的飞速发展，门禁系统也在不断的发展和智能化，且用户对系统的提出的要求也在跟随着时代的变化而变化，所以在设计门禁系统时应尽可能的考虑到将来的可扩展性能，比如随着用户的需求可以灵活的增减子系统以及对子系统更新升级，将巡逻管理系统和考勤系统等联机扩展到门禁系统，使门禁系统始终保持在智能建筑的领先的地位。系统除了满足一般的安防要求外，还加强了系统的管理性以及对进出人员的记录等。整个系统的安全性高，系统的反应时间短，并且用户安装使用方便，系统所具有如下功能。①合法持卡人员进出该门禁时，不需要人员的任何操作，系统会自动获取人员的身份信息并进行认证。②允许合法持卡人员进出门禁，礼貌的拒绝非法用户，有效地保护财产不受到非法的侵犯，当遇到非法操作时系统能够自动报警。③系统的门禁控制器可以通过总线的方式与控制中心实时联系，记录所有进出人员的相关信息，包括姓名和进入时间等，如果请求进入的人员身份合法（即经过控制中心认证授权），电动门将会打开。④当发生紧急情况时，远端主机服务器能够同时全局联动，打开所有的门禁系统以紧急疏散人员并且发出报警信号，门禁控制器对于非法闯入事件也能够实时报警并处理。⑤外界断电时，系统能够继续运行。２．３系统的总体框图根据射频识别系统的工作原理和门禁系统的设计要求和原则，可以确定该门禁系统的总体设计思路，搭建符合系统要求的门禁控制系统的总体构建，智能门２ｌ武汉理１人学硕士学位论文禁系统包括硬件系统和软件系统两个部分。智能门禁控制系统是软件和硬件相结合的安防系统。它是一套集门禁设备监控、射频识别技术、防盗、报警、用户管理及远程监控于一体的综合安防系统¨Ｊ。射频识别技术在我们的实际生活中的应用范围非常广泛，各个行业的需求不尽相同，囚此不可能设计出通用的系统方案。本课题暂时只考虑在门禁系统中的应用，至于其他方面的应用可以在该智能门禁控制系统的摹础之上改进和扩展。在设计该门禁系统时是根据一般的智能门禁系统的设计结构和思路柬进行的，该智能门禁控制系统的总体结构框图如图２－４所示。智能门禁控制器智能门禁系统监控门Ｉ卅监控ｆＪ５￣８监控¨（ｎ－３吨１图２＿４智能门禁系统的结构该门禁系统由门禁控制器、ＲＳ－４８５转ＲＳ．２３２通讯转换器和管理中心几个部分组成，系统采用的是总线型网络结构，这样可以方便扩展，每个子网络可最多连接２５５个门禁控制器，每个门禁控制器可以控制１４扇门，适应于不同用户群的需要，因此每个子系统最多可以控制１０２０扇门。门禁控制器有４门的控制器和单门控制器，单门控制器由读｝器、紧急出ｆ１按钮、电磁锁和门磁组成。４门控制器的组成和单门控制器相似，只是每个门禁控制器最多有４对输出，可以控制４个出入口。门禁系统的现场连接情况如｜皇｜３．２所示。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文主图２．５门禁系统的连接由图２．５可以看到门禁控制器的几个组成部分，读卡器：用柬读写射频标签的信息；门锁：智能门禁控制器发出控制命令，通过电磁驱动控制门锁的丌关；出门按钮：用于出门控制门锁的开启。当持卡者进读卡器的读卡范围时读卡器读卡，将射频标签中的信息发送到门禁控制器，门禁控制器根据卡号、当前时间和内部数据库中的信息，判断此卡是否为有效卡，是否在有效的时间范围内，是否具有丌启该门的权限等，之后控制电子锁的关开状态。出门时只要按下出门按钮，电子锁就会自动打丌。在火灾等紧急情况下可以按动紧急按钮，不需要经过门禁控制器就可以直接打丌门锁。当使用非正常手段开门时，会输出报警信号并传输给门禁控制器。系统还可以对进出人员实时监控，每读一次卡，门禁控制器就将当前的处理结果记录下来，传送到监控管理中心在显示器上显示出来。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文２．４可行性分析随着科技的发展，社会财富不断的丰富，人们生活质量也越来越高，不断积累的社会财富需要得到安全保障，小区需要确保入住人员的人身和财产安全，在军事上更需要强有力的安全保护措施来保证国家的机密。因此智能门禁系统具有很大的市场需求，在小区和公司的安防以及军事等方面拥有广泛的应用。另外，智能门禁系统不需要人工的干预，能够自动对进出人员进行监测和管理并对出入人员的信息进行存档，社会的发展要求设备逐步走向自动化、智能化，在人们对生活质量要求的推动下自动管理和操作的智能的门禁系统的社会需求量越来越大。近年来，电子技术飞速发展，电子器件的工艺同新月异，价格也越来越便宜，门禁系统的技术逐渐成熟，能够设计出满足用户需求的智能化产品，这为开发出功能各异、智能化程度越来越高的门禁系统奠定了基础。近年来，随着电子技术的发展门禁系统迅速发展起来，且射频识别技术也越来越成熟。在安防和物流系统中证在广泛的使用ＲＦＩＤ技术，很多公司和部门丌发出了大量的基于ＲＦＩＤ技术的产品，对我们的生活和商业的运营带来了很多便利，积攒了比较成熟的技术。目前，国内外有很多的企业在从事开发智能门禁系统，国内也有公司和部门在开发和设计门禁系统，且门禁系统的设计越来越智能化、功能多样化。在国外，智能门禁系统已经比较成熟，因此在现有的软件技术和硬件环境下开发设计具有某些特殊应用目的和功能的智能门禁系统在技术上是可行的。同时门禁系统的概念逐融入到我们的生活和工作之中，门禁系统的理论也越来越完善，与智能门禁系统相关的理论与技术也都在迅速的发展，使得在开发和设计系统时有大量先进的资料可供查阅，所以本系统的歼发和设计无论从理论上还是技术上都是基本可行的。武汉理Ｔ大学硕十学何论文第３章门禁系统的硬件设计３．１硬件的总体设计门禁控制器电路是门禁系统的核心，由微处理器和相应的外围电路组成，控制器是系统的大脑，由它来识别是否为本系统的有效卡，判断该卡是否在所限定的时间段内，从而控制电子锁是否打开。为了满足上述系统的功能和实现系统的指标，ＩＤ卡和门禁控制器微控制器采用ＰＩＣｌ６Ｆ６３９和ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０单片机，在丌展具体硬件平台设计和搭建中，ＩＤ卡和门禁控制器为主要的设计工作。门禁控制系统的硬件电路组成包括：ＲＦ接收模块、ＬＦ发射模块、ＬＦ的天线设计、低频接收模块、ＲＦ发射模块和通信接口部件等，硬件的总体框图如图３．１所示。门禁控制器图３．１硬件的总体框图为了降低系统的功耗，延长系统的使用时间，ＩＤ卡和门禁控制器在没有信号输入时都是处于睡眠状态下，上位机可以通过触发信号来唤醒门禁控制器，而ＩＤ卡由门禁控制器发射的ＬＦ唤醒报文信号来进行唤醒。门禁控制器和ＩＤ卡之间采用的是双向无线通信，ＩＤ卡通过ＬＦ接收模块接收门禁控制器发送的ＬＦ数据武汉理’ｌ：人学硕十学位论文信号，门禁控制器则通过ＲＦ接收模块接收ＩＤ卡发送的ＲＦ数据，采用双向通信可以降低系统功耗，另外上位机与门禁控制器之间采用ＲＳ．４８５总线进行数据传输。３．２ＰＩＣ单片机简介ＰＩＣ单片机系列是美国微芯公司（ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的产品，目自订在市场上占有很大的市场份额，ＰＩＣ系列单片机是一种用来开发的多任务处理器，主要是用来开发控制外围设备的具有分散功能的ＣＰＵ。和一般单片机一样，ＰＩＣ单片机具有功能强大、价格便宜和体积小等特点，此外ＰＩＣ单片机还具有如下自己的特尉３０１。①功耗低，在ＰＩＣ系列的单片机中，有些型号的单片机具有很低的功率消耗，在时钟频率为５ＭＨｚ的情况下单片机的工作电流不超过２ｍＡ，当单片机处于低功耗的模式下时工作耗电在ｌ衅以下，ＰＩＣ系列单片机具有极低的功率消耗的特点。②开发方便，ＰＩＣ系列单片机的外围电路简单，ＰＩＣ系统的单片机功能强大，将很多常用的外围电路集成到单片机内部，例如Ｉ／０上拉电路和上电复位电路等都集成到了单片机的片内，在开发时可以很大程度上的减少外围器件，甚至免外围的开发，真正实现“纯单片”应用的开发。③采用“单字节化”指令，ＰＩＣ系列单片机的指令总线和数据总线不是采用的同一总线，数据总线和指令总线的采用的宽度不同且相互，因此ＰＩＣ系列单片机具有相互的ＲＯＭ和ＲＡＭ寻址空问，由于两总线的宽度不同，所以ＲＯＭ和ＲＡＭ的地址宽度也不同。采用两总线相互的设计可以很好的提高单片机的运行速度，而且可以很好的确保数据的安全性，的指令总线可以使得单片机的指令全部“单字节化”得以实现。④采用哈佛结构，ＰＩＣ单片机在内部采用的是哈佛结构，类似于一台小型的计算机，在结构上采用二级指令流水线和双总线的结构。双总线的结构使芯片内部数据总线和指令总线相互且宽度不同，的指令总线可以便于实现“流水作业”，从而提高单片机的运行速度，二级流水线的指令结构是在执行一条指令的同时读取下一条将要执行的指令。武汉理１：人学硕十学位论文⑤采用快速擦除的存储器，ＰＩＣ系列单片机的存储器采用的是ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ，该存储器可以快速的擦除和改写操作，且具有很高的擦写次数和数据保持时间，Ｍｅｍｏｒｙ的数据至少可以保存４０年之久，同时可以反复的进行擦写操作，ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ的擦写次数可以达到至少一万次以上。写入Ｆｌａｓｈ⑥具有１２Ｃ总线和ＳＰＩ串行总线端１３，部分型号的ＰＩＣ单片机其内部具有１２Ｃ和ＳＰＩ总线，有串行总线端口的单片机在扩展一些必要的外围器件很方便。可以将外围器件作为一个整体的外设直接通过串行总线连接到单片机上，在单片机内设置具有串行接口和串行总线，一定程度上使得对单片机的开发更加快捷方便，而且使得单片机应用系统的结构得到了大大的简化，使产品电路的开发实现模块化结构。３．３门禁控制器的设计门禁控制器由ＭＣＵ、ＲＦ接收模块、ＬＦ发射模块和ＬＦ天线组成，门禁控制器作为系统的控制核心，他的主要任务与电子标签和上位机进行通信，完成上位机对出入人员的控制，因此要求门禁控制器能够稳定的工作，另外ＬＦ的发射功率尽可能的大，使通信距离更远。３．３．１微控制器在该门禁系统中选择ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０单片机作为门禁控制器的ＭＣＵ，ＰＩＣｌ８Ｆ系列单片机的指令字为１６位，共有７７条操作指令，并加入了Ｃ编译器的最佳化指令结构，运行的时钟脉冲频率最快可以达到４０ＭＨｚ，程序存储器的最大容量可达到１２８ＫＢ，输入／输出最多可以达到６８线。在中断方面支持了三个外部中断，中断矢量也区分为高优先权中断和低优先权中断两类，最多可提供１７个中断源，其主要特性如下【３２】。＠３ＫＢ的ＲＡＭ，ＩＫＢ片上ＥＥＰＲＯＭ，６４ＫＢ的增强型ＦＬＡＳＨ存储器，数据保存期超过４０年。②１个捕捉器／比较器／ＰＷＭ模块ＣＣＰｌ，可用于产生ＰＷＭ输出。③多种时钟源和选择特性。支持４种晶振模式、２种外部振荡模式和２种外部时钟模式，内部振荡时钟支持８种可选择频率。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文④三种电源管理模式。分别为运行模式、空闲模式和睡眠模式。空闲模式下ＣＰＵ停止但外围电路仍然工作，睡眠模式下ＣＰＵ停止且外围电路断电。⑤增强功能的可寻址通用同步异步收发器ＵＳＡＲＴ模式，支持自动唤醒启动和自动频带检测。⑥１１路通道Ａ／Ｄ转换模式，具有自动采集功能。ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０的引脚分布如图４．２所示。ｐＩｃｌ８ＦＭ８０ＭＣＬＲｎ加ｐ，ＲｌＢＲＢ７脚Ｂｌ，ｐｅｍＲ＾０，ＡＮ０ＫＢ６臌Ｂ乜，ｐ６ＣＲＡｌ，ＡＮｌＲＢ５＿，｝擅１１，ｐ６ＭＲ＾２＂Ｄ亿几限Ⅱ：ＲＢ４厅啦ｍ朋ｊ∞ｌ∞脚心Ｂｎ瑭蔚『＋ＲＢ３／ＣＡＮＲＸＲ＾５脚尽Ｓ＿，ＩⅡ７１）卫ＨＲＡ４，ｒ０ＣＫｌＲＢ２，ｎ下ｒ２，Ｃ＾脓ＲＢＷＳＲＢ０册ｌ，＾ＮｌＯｌ，Ｄ丌ｌ甜埔０＇３ＣＩ／ＣＬＫＩ门执７、ｊＤＤ０ＳＣ２，ＣＬＫ０檬椰、召ＳＲＣ０，ｒ１０Ｓ０，ｒ１３ＣＥＩＲＣ７ｍＸＤＴＲＣｌ，ｒ１０ＳＩＲＣ６，ＴＸ，ＣＫＲＣ２／ＣＣｐｌＲＣ５＿，ｓＤ０ＲＣ３ｌＩｓＣＫ，ｓＣＬＲＣ●＿『ｓＤ坫Ｄ＾图３．２ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０的引脚分布ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０是门禁控制器的微处理器，门禁控制器的功能都是由微处理器来管理控制和完成的，门禁控制器足连接电子标签和上位机的中间桥梁，他的主要任务是与电子标签进行数据交换，对接收到的数据信号进行解码和组织控制命令等处理，然后将解码后的数据通过串口通信传送给上位机，唤醒处于休眠模式下的发射模块并控制其工作。ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０内部集成了很多外围设备，且通信接口比较完备，对以后的系统升级和扩展比较方便实现。３．３．２低频发射模块利用低频发射模块的低频信号的近场效应，一个门禁控制器可以同时对多个电子标签进行读取操作，同时触发多个ＩＤ卡，并获取他们的身份识别码，ＬＦ信号的传播距离比较近，是由于ＬＦ信号的功率比较小且受坏境的影响比较大，因此在设计低频发射模块时需要考虑到低频通信的问题。（１）电磁感应原理由电磁理论可知，电场和磁场是一个不可分割的整体，由麦克斯韦的方程组武汉理＋ｌ：人学硕十学位论文概括的电磁场的基本定律可知，电场和磁场可以相互转换，他们相互联系、相互激发组成电磁场这个统一的整体，变化的磁场可以激发涡旋电场，同理变化的电场也可以激发涡旋磁场。空间变化的电场和磁场相互转换，从而形成了电磁波。利用电磁感应原理，可以在两个线圈电路之间相互传递能量，如果将传递的能量看成是数据信号，即实现了两个电路之间的通信。例如在变压器中，初级线圈与次级线圈就是根据电磁感应的原理通过两个线圈的耦合来实现能量的传递的，当初级线圈中有交变电流时，就会线圈周围产生交变的磁场，通过铁心与刺激线圈的耦合作用，将交变的磁场传递给次级线圈，从而在次级线圈中产生感应电动势，实现能量的传递，在该门禁系统中，低频发射模块的通信就是通过电磁耦合的方式来完成的ｌ乃Ｊ。（２）ＬＦ发射电路的设计由于ＬＦ通信是以磁场为介质的，所以磁场的传输特性对通信有较大的影响。从场强衰减的特性来看，磁场在自由空间传播时，磁场强度衰减率为ｌ／Ｒ３护，Ｒ为源点到场点之间的距离，为了提高１２５ＫＨｚ发射模块的传输范围，可以适当的增加发射器的发射功率，由于发射器的最大功率受到管制的要求，同时为了节约成本，希望发射单元尽可能的简化。综合这些因素，采用集成半桥驱动的串联谐振电路，ＬＦ电路如图３．３所示。Ｈｚ）０．１ｕＦＶＣＣ图３．３ＬＦ发射电路图在ＬＦ发射电路图中ＰＷＭ载波信号由微处理器通过软件的方式编码产生的，武汉理Ｉ：人学硕十学位论文ＴＣ４４２２为集成的半桥驱动器芯片，ＴＣ４４２２的功能是为ＬＦ发射电路提供较大的谐振电流，另外还能实现功率放大的作用，ＬＣ串联谐振电路将ＰＷＭ载波信号调制成正弦波，然后通过天线发射出去，ＬＣＪ，皆振电路的谐振频率为：幼肛赢２‰（３－１）ＹＬＬ当ＬＣ谐振电路的谐振频率与ＰＷＭ载波信号频率相同时，此时电路的阻抗最小，电路中的电流值达到最大，ＰＷＭ的载波信号转化为激发的磁场，然后通过电感Ｌ耦合向空间传送出去，ＬＦ发射电路的电流和储能电压分别为：ｋ。＝鲁（３－２）‰＝圪Ｍ＝Ｑ％（３·３）磁场是由电流转化而来的，因此磁场的强度与电压成正比，由谐振电路可知电路的品质因素和电路的．３ｄＢ带宽分别为：‘Ｄ：笪：型：ｊ一（３－４）８Ｒ∞‘Ｒ∥：哆一ｑ：了Ｒ（３．５）在设计低频发射模块的过程中，门禁控制器的数据信号是通过天线发送出去的，因此天线必须设计合理的天线的品质因素，要求品质因素Ｑ值要满足下面的方程：Ｄ≤——ｊ【＿—一（３－６）‘ＴｃｔＰ—Ｔ咐Ｄ品质因素与谐振电路的电感和电容有关，已，和‰分别是谐振电路中电容和电感的容差，由Ｑ值要满足的方程式可知，一方面，Ｑ值越高电感Ｌ辐射的磁场强度就越大，天线辐射的磁场强度与品质因素成正比，因此提高谐振电路的品质因素Ｑ值可以增加低频发射模块的通信距离。另一方面，通频带宽与ＬＦ发射电路的Ｑ值成反比，Ｑ值的增加使得带宽降低，当谐振电路元件的容差等因素发生变化使得电路的谐振频率产生偏移时，低频通信的质量会受到很大的影响，品质因素Ｑ值还有电路的电阻Ｒ有关，在确定电路的电容之后，可以调节电阻Ｒ来改变控制低频发射模块的Ｑ值。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文３．３．３ＲＦ接收模块门禁控制器与ＩＤ卡进行数据交换时，一方面门禁控制器要对ｌＤ卡发送控制命令，由低频发射模块来实现，另一方面，当ＩＤ卡向门禁控制器返回需要的执行结果数据时，门禁控制器就需要接收并解码ＩＤ卡发来的ＲＦ数据信号，这个任务是由门禁控制器的ＲＦ接收模块来实现完成的。电子标签模块与门禁控制器模块之间的通信比较简单，因此可以采用相对比较简单且容易实现的调制方式，为了节约系统的成本在该系统中ＲＦ接收模块采用ＡＳＫ的调制方式。ＲＸ３３１０Ａ为ＡＳＫ接收集成电路，在该门禁系统中采用它来组成超外差接收电路，完成对ＲＦ信号的接收工作。ＲＸ３３１０Ａ是一个性价比高的高集成度接收芯片，包含射频放大、混频、中放以及ＡＳＫ解调等在内。工作在２５０ＭＨｚ～４５０ＭＨｚ频段，具有．１０６ｄＢｍ的高灵敏度，低功耗，Ｊ下常平均工作电流为２．６ｍＡ，集成度高，外围元件少。ＲＸ３３１０Ａ是一个可工作在甚高频的无线接收芯片，它在内部集成了高频放大电路（ＲＦＡＭＰ）、混频电路（ＭＩＸＥＲ）、中放电路（ＩＦＡＭＰ）、中频滤波器（ＩＦＦＩＬ—ＴＥＲ）、限幅器（ＬＩＭＴＥＲ）以及由比较器构成的ＡＳＫ解调电路等。图３－４ＲＦ接收模块本系统中ＲＦ超外差接收电路如图３．４所示，在设计ＲＦ接收模块时，为了能够提高系统的无线接收能力，改善系统本振频率的稳定度，系统采用ＳＡＷ谐振３ｌ武汉理ｊＪ：人学硕十学位论文器来构成ＲＦ接收电路的本振反馈回路。ＳＡＷ是一种石英制成的谐振器件，它具有阻值低和尺寸小的特点，另外ＳＡＷ的具有很高的品质因素，与ＬＣ谐振电路相比ＳＡＷ的品质因素高达２５００以上，ＳＡＷ本身是一个谐振器件，用谐振器件来构成震荡电路的反馈凹路，可以使电路产生信号频率的稳定性得到很大的提高，，频率的稳定度可以达到ｌＯ’６，ＳＡＷ为石英制成的振荡器其谐振损耗低，尽有１－２ｄＢｍ，当信号的频率ＳＡＷ谐振器的固有频率相同时，ＳＡＷ反馈回路几乎可以将信号全部反馈到震荡电路的输入端。在ＲＦ接收模块电路图中，由２ＳＣ３３５７、ＳＡＷ、Ｃ２、Ｃ５、Ｒ２和Ｒ５构成了ＲＦ接收模块的高频振荡电路，震荡器件ＳＡＷ作为该模块的稳频器件，使ＲＦ接收模块振荡在ＳＡＷ的谐振频率上，由电容Ｃ５耦合到ＲＸ３３１０Ａ的管脚ｌ，将ＳＡＷ的振荡频率信号输入给内部混频器。由于ＲＦ接收模块是工作在高频段，所以ＰＣＢ板的设计应按照高频线路特性的来考虑，布线时要考虑匹配阻抗对电路的影响以及线路之Ｉ’日Ｊ的高频干扰。在电路的整体布局时，振荡电路的位置应远离选频网络和接收天线，减小高频振荡电路的高频噪声对ＲＦ接收电路整体性能的影响。３．４ＩＤ卡设计ＩＤ卡与门禁控制器要进行数据交换，所以ＩＤ卡的设计也是发射模块和接收模块两个部分的设计，与门禁控制器想对应，ＩＤ卡接收电路是用来接收门禁控制器发送的１２５ＫＨｚ的低频数据，同时给门禁控制器发送３１５ＭＨｚ高频数据，通过ＩＤ卡与门禁控制器的２对接收与发送电路来完成两者之间的ＲＦＩＤ数据传输，ＩＤ卡主要由ＭＣＵ、ＲＦ发射模块和低频接收模块３个部分组成。３．４．１微控制器为了满足系统低功耗的设计要求，ＩＤ卡的微控制器同样选择ＰＩＣ系列的单片机，ＰＩＣｌ６Ｆ６３９是一款带三通道模拟前端（ＡＦＥ）的ＭＣＵ，其模拟前端特性由ＭＣＵ固件控制。由于使用方便，该器件可用于多种智能低频检测和双向通讯应用中，他实用于生物识别和ＲＦＩＤ识别等方面３６】。与１８Ｆ系列的单片机不一样，ＰＩＣｌ６Ｆ６３９具有如下自己的特点：①集成了一个３通道模拟前端，ＡＦＥ（ＡｎａｌｏｇＦｒｏｎｔ－Ｅｎｄ）通过ＳＰＩ接口与ＰＩＣｌ６Ｆ６３９进行通信。武汉理一ｒ人学硕十学位论文②多种时钟源和选择特性，并有２个内置振荡器可配置为系统时钟源。③３．５ＫＢ的ＦＬＡＳＨ，１２８Ｂ的片上ＲＡＭ，２５６Ｂ的片上ＥＥＰＲＯＭ，１个８位定时器和１个１６位定时器；④１个外部中断管脚，有休眠模式，支持中断唤醒；⑤１２个通用Ｉ／０１：３，内置上拉／下拉功能，６＂卜ＰＯＲＴＡ支持电平变化中断：⑥１个ＫＥＥＬＯＱ器件加密模块。利用ＰＩＣｌ６Ｆ６３９可以和简单的收发电路或者ＲＦ收发芯片配合来实现无线遥控和数据传输的等功能，并且可以利用ＰＩＣｌ６Ｆ６３９内置的ＫＥＥＬＯＱ模块对数据进行加密。由于ＰＩＣｌ６Ｆ６３９集成了较多的功能，其功耗比较大，在系统设计时，为了节省功耗，延长ＩＤ卡电池的使用时间，需要管理好ＭＣＵ的工作。ＰＩＣｌ６Ｆ６３９包括低频前端和数字解码两个部分，ＬＦ前端部分不断的寻找有没有信号输入，此时数字部分则处于睡眠模式等待被唤醒，以减少电池的消耗。只有在ＬＦ前端接收到正确的控制命令时，数字电路部分才会被唤醒。在ＬＦ请Ｉｉ端采用唤醒滤波器，通过对ＬＦ检测电路进行编程，使得只有输入信号带有预先设定的报文头时才会产生输出唤醒数字解码电路部分，唤醒滤波器输入信号波形和输出的数字如图４．５所示。图３．５唤醒滤波器的输入和输出波形ＩＤ卡采用低功耗的设计，其数字电路大部分时间都处于睡眠模式下，当门禁控制器需要与Ｄ卡进行数据交换时需要先唤醒ＩＤ卡的数字电路对接收的控制命３３武汉理下人学硕十学位论文令信号进行解码。在唤醒滤波器的输入输出波形中，ＬＦ前端接收到唤醒命令后需要一定的稳定时问，第一段有一定的稳定时间间隙。在输入波形的第二段是预定义的报文头，只有在接收到正确的预定义报文头之后才能唤醒数字解码电路，报文头由用户自由设定，在该系统中设置的是２ｍｓ高电平和２ｍｓ低电平。当输入信号的波形满足设定的要求时，单片机就会唤醒数字电路部分输出解码信号。反之，唤醒滤波器则没有信号输出。３．４．２ＲＦ发射模块（１）ＡＳＫ调制方式ＡＳＫ指的是振幅键控，它的调制方式是根据输入信号的不同来改变正弦波的幅度，通过一个乘法器与开关电路来实现。载波在数字信号的控制下接通或关断，当输入的数字信号为１时，载波信号接通，传输载波，输入的数字信号为０时，载波被关断，传输通道上没有载波信号出现。按照这种调制的方式，在接收端可以根据收到的载波信号还原编码的数字信号。对于二进制的数字序列只存在１和０两种控制信号，即载波的接通与关断２种情况，若发送电路发送数字信号０的概率为Ｐ，则发送数字信号１的概率为１．Ｐ，两者且相互。由ＡＳＫ调制的原理可知，调制后的二进制序列可以用下面的式子来表示：％－－１№１嚣Ｐｓ（ｆ）＝∑吒ｇ（ｔ－ｎＴ，）（３－７）％发送概率为卜㈣８，【３。８）若用Ｚ来表示二进制基带信号的时间间隔，ｇ（ｆ）是持续时间为Ｚ的数字信号脉冲。舯｛三。巍ｒｇ（‘）２｛ｏ其他㈦９，‘３·９’由上面２个式子，可以得出调制后的二进制的振幅键控信号序列可以由下面的多项式表示：足＿麟＝∑ａ．ｇ（ｔ－ｎＴｓ）ｅＯＳＷＪ（３．１０）武汉理Ｉ：人学硕十学何论文（２）ＡＳＫ发射电路为了减少ＩＤ卡的功耗和降低成本，ＩＤ卡采用ＡＳＫ调制方式的载波发生电路来实现ＲＦ发射电路部分，ＡＳＫ载波发生电路成本低且能满足系统的设计要求。如图３．６所示为ＩＤ＃的ＲＦ发射电路，采用二进制的ＡＳＫ调制方式，发射信号的频率为３１５ＭＨｚ。Ｕ２为３１５ＭＨｚ声表面波谐振器，用它作为ＲＦ发射模块的稳频器件，可以使电路达到很高的稳频度高和很好的频率的一致性。Ｑｌ是射频三极管，用来控制载波信号的通断，由ＰＩＣｌ６Ｆ６３９的ＰＯＲＴＣ口的ＲＣ５ｉＪＩ脚输出要发送的数据信号，当输出的数字信号为高电平１时，三极管导通，振荡电路工作，在传输通道上出现载波信号，输出的数字信号为低电平时，振荡电路截止。传输通道上的载波信号被关断。１，１Ｒ１］石大∞骝ｌＩ之；ｂ；之‰：弋《广＝；如、】ｌＫ‘；图３．６ＲＦ发射电路３．４．３低频接收模块门禁控制器的低频发射模块采用的是１２５ＫＨｚ低频发送数据，受到环境的影响ＬＦ发射模块的数据传输距离有限，在无法提高门禁控制器ＬＦ发射模块发射功率的情况下，要想实现更远的数据传输距离就只能提高ＬＦ接收模块的灵敏度，所以在ＩＤ卡的微处理器芯片选择时采用了ＰＩＣｌ６Ｆ６３９作为ＭＣＵ，因为ＰＩＣｌ６Ｆ６３９单片机具有较高的ＬＦ接收灵敏度。选择ＰＩＣｌ６Ｆ６３９作为ＩＤ卡的ＣＰＵ可以在一定程度上提高系统的数据传输距离。对于给定频率的ＬＦ发射电路，可以用下式近似的表示ＬＦ接收电路接收到的天线电压。３５武汉理一『ｊ人学硕卜学何论文Ｋｏ甜≈万Ｊ丽ｃ朋纸。０ｓ口‘３·１１’上式中，Ａｆ＝ＩＺ一石ｌ；ｆ为基站的载波频率；五为Ｌｃ电路的谐振频率；Ｎ为环路天线的线圈匝数；Ｑ＝ＬＣ为电路的品质因数；Ｓ为接收天线的表面积：Ｂｏ为接收天线的磁场强度；口是载波信号到达天线的角度。Ｓｃｏｓａ为天线环路处于载波信号入射磁场中的有效面积，当Ｃｏｓ口等于ｌ时，门禁控制器的发射天线与ＩＤ卡接收模块的ＬＦ接收天线面对面，此时低频接收天线的有效表面积最大，如图３．７所示为天线的方向性图。在实际应用中，当ＩＤ卡的天线与门禁控制器的发射天线正交时，接收数据的检测距离最短，ＩＤ卡的天线与门禁控制器的发射天线平行时检测距离最大。门纂控制基的磁场轴线，线图３．７天线的方向图由于ＬＦ接收电路接收到的电压信号强度与天线的方向性有关，当载波信号入射天线的角度为９０。时，可能会造成信号的丢失，而收不到门禁控制器ＬＦ发射模块发来的数据信号，在设计ＩＤ卡的ＬＦ接收电路时，为了消除这一问题，ＬＦ接收天线模块采用如图３．８所示的电路设计。ＰＩＣｌ６Ｆ６３９上的模拟前端集成了低频信号的接受，ｌＤ卡通过模拟前端来接受低频唤醒信号实现对ＩＤ卡的唤醒。模拟前端三个引脚用来连接天线，具有很高的接受灵明度，３个引脚分别连接天线的的Ｘ、Ｙ和Ｚ方向的三个天线输入端，这种天线的设计可以接受任何方向的天线信号，从而消除了天线的方向性带来的接受武汉理ｌ：人学硕十学位论文信号丢失的可能性。图３．８ＬＦ电路图ＰＩＣｌ６Ｆ６３９的模拟前端具有的３个输入通道ＬＣＸ，ＬＣＹ，ＬＣＺ，分别用来连接天线的３个接收线圈回路。当没有天线信号输入时，模拟前端处于待机模式，此时模拟前端的内部电路断电，减低电路的功率消耗，当检测到３个输入通道任一有低频信号进入时，模拟前端开始上电工作，正确的接收输入通道上的低频信号，经过内部电路解调后从ＰＯＲＴＣ口的ＲＣ３ｉＪｌ脚上输出数字信号，并且通过ＲＡ５引脚唤醒处于休眠模式的ＰＩＣｌ６Ｆ６３９。模拟前端内置有出使能滤波器，为了防止噪声和广播信号等其他干扰信号唤醒ＰＩＣｌ６Ｆ６３９，可以配置使能滤波器，设置报头匹配序列。只有当接收到Ｊ下确的报头信号序列时才能唤醒模拟前端，否则判断为无效的输入信号，通过ＰＩＣｌ６Ｆ６３９内部的ＳＰＩ接口可以对其模拟前端进行配置。３７武汉理ｌ：大学硕士学位论文３．５通信模块的设计在单片机内部使用的ＴＴＬ电平，由于ＴＴＬ电平的抗干扰能力和驱动能力有限，不能使用ＴＴＬ电平来进行长距离的通信，因此在需要长距离的通信时需要转换成其他的电平。实际使用时常常使用ＲＳ－４８５总线来进行长距离的通信，ＲＳ－４８５总线采用的平衡差分传输，具有很好的抗干扰能力，且最远的传输距离可以达到１２００Ｍ，总线上最多可以挂１２８个单片机，传输速度可以达到２５０ＫＢ／Ｓ，很适合用于多机通信。ＲＳ一４８５是物理层的通信协议标准，同时也是串口通信接口的电气标准，使用ＲＳ．４８５总线可以把单片机和上位机连接起来，形成一个完整的网络化系统。该系统的门禁控制器与上位机进行通信时采用ＲＳ．４８５通信协议，将单片机的ｒｒＬ电平转换成４８５的电平信号进行远距离的传输，在设计该系统时选用的是ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ４８５芯片，ＭＡＸ４８５是ＲＳ．４８５通讯的低功耗收发器件，通过它来实现门禁控制器与上位机的远距离通信。ＭＡＸ４８５是ＭＡＸＩＭ公司生产的一种差分平衡型收发器芯片，是用于ＴＴＬ协议与４８５协议的转换的小功率收发器，它含有一个驱动器和一个接收器，采用单＋５Ｖ电源供电，工作电流在１２０～５００９Ａ低电流关机模式，消耗０．１ｐＡ电流，驱动器有过载保护功能。在该系统中ＭＡＸ４８５将ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０需要发送的ＴＴＬ数字信号转换成４８５信号传输给上位机，上位机在接收端在将４８５信号转换成ＴＴＬ信号，从而实现远距离的数字通信，ＭＡＸ４８５的连接如图３－９所示。ＭＡＸ４８５的Ｒ０引脚为接收器的输出，／ＲＥ是接收器输出使能，当该引脚为低时接收器输出信号，ＤＩ为驱动器的输入引脚，ＤＥ为驱动器的输入使能，ＤＥ引脚为高时控制驱动器接收输入信号，Ａ为接收器的输入和驱动器的输出，Ｂ为反向的接收器输入和驱动器输出。在该系统中ＲＳ．４８５的通信波特率为４８００ｂｐｓ，通信协议采用的是ｌ位起始位，８位数据位和１位停止位。武汉理工大学硕十学位论文图３－９ＭＡＸ４８５的连接图３．６看门狗的设计门禁系统是一个连续不问断运行的系统，单片机在运行过程中能受到外界的电磁干扰造成程序跑飞，或者陷入死循环，使系统无法继续正常工作，造成系统陷入停滞状态，导致不可预料的后果，所以在门禁控制器的设计时加入了看门狗的设计。在该系统中看门狗电路采用Ｘ５０４５芯片，Ｘ５０４５是美国Ｘｉｃｏｒ公司生产的，集看门狗定时器、电压监控和串行Ｅ２ＰＲＯＭ三项功能于一体的专用集成芯片。当系统发生故障而超过设定的时间时，电路中的看门狗将通过ＲＥＳＥＴ信号向ＣＰＵ做出反应，Ｘ５０４５提供了三个时间设定值供用户选择。它具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源的电压降到允许的范围之下时，系统就自动复位，直到电源电压返回到稳定值为止，Ｘ５０４５的存储器与ＣＰＵ可通过串行通信方式接口，共有４０９６个位，可以按５１２字节来放置数据。Ｘ５０４５芯片的引脚如图３．１０所示。图３—１０Ｘ５０４５的连接图３９武汉理ｌ：人学硕十学何论文利用Ｘ５０４５可以很方便地与ＣＰＵ芯片进行连接。它与门禁控制器的微控制器芯片ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０的连接电路如图３．１０所示。给Ｘ５０４５加电时会激活内部的上电复位电路，使ＲＥＳＥＴ引脚有效，该信号可避免系统的微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作，当ＶＣＣ超过器件的Ｖ二．门限值时，电路将在２００ｍｓ延时后释放ＲＥＳＥＴ以允许系统开始工作。工作时，Ｘ５０４５对ＶＣＣ电平进行监测，若电源电压跌落到预置的最小Ｖ二．以下时，系统即确认ＲＥＳＥＴ，以避免微处理器在电源失效或者断开的情况下工作，当ＲＥＳＥＴ被确认后，该ＲＥＳＥＴ信号将一直保持有效，直到电压跌到低于１Ｖ，当ＶＣＣ返回并超过Ｖ二。达到２００ｍｓ时，系统重新开始工作。看门狗定时器的作用是通过监视ＷＤＩ输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发ＣＳ／ＷＤｌ引脚以避免ＲＥＳＥＴ信号激活而使电路复位，所以ＣＳ／ＷＤＩ引脚必须在看门狗超时时问终止之前受到由高至低信号的触发。Ｘ５０４５出厂时设置的标准ＶＣＣ门限电压为Ｖ－。，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。器件存储器部分是带块锁保护的ＣＭＯＳ串行Ｅ２ＰＲＯＭ阵列，阵列的内部组织是ｘ８位。Ｘ５０４５可提供最少１０００，０００次擦写和ｌＯＯ年的数据保存期，并具有串行外围接ＩＳ］（ＳＰＩ）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。３．７抗干扰设计门禁控制系统的工作环境一般比较恶劣，受噪声干扰比较严重，因此要求系统能适应噪声干扰的环境，另外门禁控制器与ＩＤ卡之间采用的是射频通信，因此涉及到了高频电路的设计，高频电路对电路的设计与中低频电路有很大的区别，在采用射频方式发送低频数据时，受环境噪声的干扰比较严重，而且高频信号也会对周围的电路产生干扰，为了使系统能够适应噪声干扰比较严重的环境，使电路能够正常工作发挥其功能，因此在设计系统的硬件电路时需要考虑到电路的抗干扰能力，对电路进行抗干扰设计。在设计该系统时采用了以下一些方式来达到抗干扰的目的：（１）接地在射频电路的ＰＣＢ设计时，电源线和地线的布线采用合理的布线能够很好的武汉理Ｉ：人学硕十学位论文克服电路间的电磁干扰，很多干扰源都是通过ＰＣＢ上的电源线和地线来产生的，而且地线设计比电源线的设计更加重要，不合理的地线设计很容易产生很大的噪声干扰。当地线上有电流流过时就会产生电压，在地线上形成环路电流，从而产生地线的噪声干扰，为了避免这种噪声干扰，可以一些有效的措施：１）将数字电路和模拟电路的地线尽可能的分离开来，且数字电路的地线与模拟电路的地线要分开，分别接到电源端的地线；２）地线的设计要尽可能的粗，电源线与地线的设计如果太细在电路工作时容易收Ｎ；＇ｔ－界的干扰；３）不要局限于单点接地，合理灵活的采用多点接地；４）高频信号在线路中传输时容易产生互感，为了防止互感带来的信号干扰在设计ＰＣＢ时要尽量缩短信号线长度，且在可能产生互感的两线路中间要放置一根地线，用来隔离两线路间的互感。在各模块电路之间也要用地线来进行隔离，防止模块间的干扰。（２）去偶在设计印刷电路板时，常常需要在电路的各个关键部位配置合适的去偶电容，通常需要采用去偶设计的电路包括：１）电源的去偶，在设计印刷电路板时，在集成电路的电源与地之Ｉ’丑Ｊ并接去偶电容有两个作用，一方面可以为集成电路蓄能，另一方面可以过滤高频噪声，在电源与信号的入口设计合理的去偶电容，可以防止信号的干扰，大电容可以过滤信号罩的低频干扰成分，小电容则可以过滤掉信号罩的高频干扰成分；２）芯片的去偶，在每个集成电路芯片的ＶＣＣ和ＧＮＤｉｊｌ脚之间都应该设计一个０．０１９Ｆｄ＇．瓷片电容，可以滤除ＶＣＣ与ＧＮＤ之间的高频噪声；３）在设计去偶电容时，引线不能设计太长，特别是在设计高频旁路电容时需要注意，通常高频旁路电容不设置引线。（３）元件的布局与走线射频电路效果的好坏不仅与电路的性能指标有关，很大部分还取决于ＣＰＵ与线路板间的影响，所以在设计印刷电路板时，各元件之间的布局也很重要，印刷电路板上的布局不是简单的将各电子元件在电路板上进行拼凑，在对ＰＣＢ进行布局时主要考虑的是如何选择合理的布局能减少各部分电路之间的相互干扰，提高电路本身的抗干扰能力，因此元件的布局必须符合抗干扰设计原则。在设计电路是常常采用一下措施：４ｌ武汉理『：大学硕士学位论文１）在设计电路板时最好选择使用两层电路板，对电路的进行布线时要避免线路拐直角，在需要拐角的地方应以１３５。角为宜，以提高电路的抗干扰能力，抑制高频噪声的干扰。同时要尽量减少回路面积，减少线路的分布参数和相互间的电磁干扰，降低感应噪声。２）对于射频电路，信号线的布局、走线的宽度和线ｌ’日Ｊ距的设计要合理，避免信号传输线之间的交叉干扰，另外电源本身也存在噪声干扰，在设计ＰＣＢ时要综合考虑，对印刷电路板进行合理的布线。３）印刷电路板的大小要适中。过大的电路板会导致印刷线路过长，增加电路的阻抗，从而减弱了系统的抗噪声能力，电路板过小会导致元器件的布局过于集中，各个元器件和线路之间会产生相互的电磁干扰，且不利元器件的于散热。４２武汉理：Ｉ：人学硕十学位论文第４章门禁系统的软件设计４．１ＲＦｌＤ通讯协议读卡器与电子标签之间的通信方式是非接触式的无线通信，系统要与ＲＦＩＤ通信并获取相关的信息，电子标签要给系统返回命令执行的结果，读写器与门禁控制器之间的通信和数据交换是通过双向的智能无线通讯来完成的。（１）编码方式在该门禁控制系统中电子标签与读卡器之间采用的是半双工的通信方式，编码方式采用的是脉宽调制编码方式，Ｉ郊ＰＷＭ编码方式，该系统中ＰＷＭ信号不是由硬件产生的，由单片机通过软件方式产生和调制ＰｗＭ信号。设Ｔｅ为ＰＷＭ信号的码元周期，一般情况下Ｔｅ取１００扯ｓ到４００“ｓ之间，由码元周期Ｔｅ可知该通信过程中的波特率为１／Ｔｅ。在编码的过程中如果用３位码元来表示ｌ位要发送的数据，第一和第三位码元为起始和终止码元，用中间的码元作为信息码元，即要发送的数据，采用３位码元来表示一位数据的ＰＷＭ的编码方式如图４．１所示。码元格式Ｆ可三三逻辑“。”ｌｌｌｌｌＩＩＩＩ厂］黔１＂ＡＢＣ图４．１ＰＷＭ编码方式（２）数据格式门禁控制器与电子标签之问的通信是通过约定好的协议来完成的，其数据帧的格式如图４．２所示。射频标签向读写器发送数据是通过ＲＦ发射模块来完成的，ＲＦ数据帧的数据是由滚动码和固定码组成的，该系统中约定采用３２位滚动码和３４位固定码的数据帧格式，固定码是由２８位的序列号、４位功能码和２位状态码组成的。控制器向ＩＤ卡发送数据帧是通过门禁控制器的ＬＦ发射模块柬实现的，在ＬＦ的数据帧中，间隔脉冲ＴＧＡ，＝５００∥ｓ，模拟前端稳定的时间为ＴＳＴ＾Ｂ＝４ｍｓ，输出使能匹配序列Ｔｏ阴＝２ｍｓ，ＴｏＥＬ＝２ｍｓ。４３武汉理Ｉ：大学硕十学位论文通信过程中，接收数据时是按照一定的步骤来完成的，在该系统中单片机按照下面的步骤来接收ＰＷＭ数据并对其解码：１）根掘收到的引导位为下一步接收数据信息做好准备；２）发送同步位，利用同步位来校正收发双方的接收速率，同时根据收到的同步位可以计算出码元周期Ｔｅ的大小；３）同步结束后开始发送信息码元，在系统中用３位码元来表示一位信息数据，在同步位之后检测第一个上升沿，检测到上升沿后延时０．５Ｔｅ后对信号采样，并测试该点是否为ｌ，若为１则为接收第二位数据码元做准备，如果为ｏＮ此次码元信息接收失败；４）如果第三步测试的结果为１，则延时ｌＴｅ后取样，该点的数据即为要接收的信息数据，延时ＩＴｅ后取样值若为１则在接收方将数据信息存为一０，相反如果测试为０则存储为数据‘ｌ’，从而实现了ＰＷＭ的解码；５）然后再延时ＩＴｅ后取样，该点为ＰＷＭ编码的第三位码元，取样后测试该点的电平值，为Ｏ则表示一位信息数据接收成功，如果为测得该点为１则表示接收失败；６）一个数据位接收完成后等待下一个上升沿，为下一位数据的传输做好准备，如果超过ＩＴｅ后还没有收到下一个上升沿，则表示接收失败；７）重复３～６步接收数据位，直到所有数据位全部接收完成。引导位ＴＰ：２３ＴｅＲＦＩＤ卡模块ＲＦ数据帧６６位液动数据！同步位１ｊ—ｉ：安全时隙ＴＧ＝３９Ｔｅｎ门几ｎ『１ｌ广Ｉ厂－厂＿ｎ阻！ＴＤ＝１９８ＴｅＴｌ垂＝１０Ｔｅ门禁控制器模块ＬＦ数据帧：模拟前端稳定：！引导位同步位：１６位验证信息ＫＴＰ＝２３Ｔｅ！！ＴＤ＝４８Ｔｅ！ｕ盯口向应时隙！ＴＧ＝５０１ｓ一ｒ—］厂］ｆ１ｎｎｆ１．广｜厂＿广＿：：＼ＴＨ＝１０Ｔｅ在此上升沿ＬＦＤＡＴＡ输出被使能图４．２数据格式该系统中采用ＰＷＭ编码方式来实现的智能无线通信，在数据的格式中有同步位，接收双方可以根据同步位来自适应地校Ｊ下数据的接收速率，采用这种方式的通信双方不需要事先约定好传输速率就可以实现数据的传输，使系统具有很好的灵活性。武汉理Ｉ：人学硕十学位论文（３）数据传输速率ＲＦ发射模块通信时，需要满足ＩＤ卡低功耗的要求，同时又要减少ＩＤ卡收发数据的时间，ＲＦ发送数据的波特率应该尽量的选择大一点，由码元周期和波特率的关系可知，当Ｔｅ为１００９ｓ时，通信过程中的数据传输速率就为１０ＫＢａｕｄ／Ｓ。门禁控制器的ＬＦ发射模块通信时，由于低频发射谐振电路的电平上升和下降的需要时间稳定，所有ＬＦ发射模块的波特率应该可能的选择小一点。当码元周期Ｔｅ为４００｝ｔｓ时，则ＰＷＭ数据的传输速率为１／Ｔｅ为２．５ＫＢａｕｄ／Ｓ。４．２系统的工作流程４．２．１ＲＦｌＤ信息读取工作流程门禁控制器在ＭＣＵ初始化之后进入休眠状态。当门禁控制器收到触发信号时，ＭＣＵ会使能ＬＦ发射模块发射ＬＦ报文，之后进入等待ＲＦＩＤ信息读取状态。此时在低频信号发射范围内所有ＩＤ卡会接收此报文并检测是否讵确，若正确则ＲＦＩＤ通过发射ＲＦ报文进行ＲＦＩＤ信息传送。门禁控制器若等待读取ＲＦＩＤ信息的时间超过初始的设定时间，则会再次发送ＬＦ信号，之后基站进入休眠状态。接收ＮＲＦ信号后进行解码读取ＲＦＩＤ信息并传输到上位机管理系统。其中各个模块的主要流程图如图４．３所示。４５武汉理Ｉ：人学硕十学位论文（ａ）ＩＤ卡ＲＦ数据发送武汉理‘１：人学硕＿｝：学位论文（ｂ）ｆＪ禁控制器接收ＲＦ数据图４．３读取ＲＦＩＤ信息流程图４．２．２电子锁和报警工作流程门禁控制器的控制还包括电子锁的控制和报警控制，读写器在读取ＩＤ卡的信息后，主机对ＩＤ卡的身份进行认证和判断，如果认证的结果为真，则判断该持卡人为合法的用户，此时主机就会给门禁控制器发送开门的控制命令，门禁控制器接收到开门命令后发送高电平至继电器使门禁驱动器开始工作，继电器的通电使４７武汉理ｌ：人学硕｝ｊ学何论文磁力电子锁电磁铁导电吸合打开该门锁。当主机的认证结果为假时，则判断试图进入该门禁的人员为非法用户，此时主机将给门禁控制器发送报警控制命令，门禁控制器收到命令后马上驱动报警模块，并且控制声光报警器件工作，同时把非法者闯入该门禁的持卡入的相关信息发送到上位机，使管理者能够在第一时间内了解情况，方便做出处理。系统对每一个进出的人员相关信息都会记录和存放在上位机的数据库中进行管理，无论合法人员还是非法人员系统都会记录和存放人员的认证结果、人员信息、时间和门锁的状态或报警等信息。如图５．４所示为该门禁系统的门锁和报警工作流程图。图４．４门锁和报警流程图４．３控制器串行通信中断子程序设计一般情况下，控制器的单片机与上位机的通信很少，都是处于工作下，武汉理ｆ：人学硕士学位论文上位机与控制器的单片机要进行数据交换，上位机首先会发送请求通信命令，控制器的在接收到命令后将其译码然后按照对应的命令向上位机接收数据或返回相关数据。在该门禁系统中，按照系统的设计要求，控制器与上位机之问的通信协议采用主从式，控制器为从机，上位机为主机。上位机的主要功能是管理数据库信息和当有需要时对控制器发送命令查询控制器的状态和控制下位机的进行相应的操作。上位机作为主机，控制器作为从机，上位机与单片机的串口通信采用轮番查询的方式，上位机按照一定的时间间歇性的对控制器进行查询。上位机与单片机的通信时通过串行通信来完成的，并且通信的内容很多，两者之间的所有数据交换都是通过串行通信完成的，包括向单片机发送状态设置命令，设置单片机的时间、日期和假日等等；按照需要接收并存储接收控制器单片机发送来的卡片资料。控制器的单片机是通过识别并解析上位机发来的命令码来进行相应的串行通信的，每个通信函数都对应一个字节的命令码，如表４．１所示为部分串口通信函数的命令码。表４．１串口通信函数的命令码表动态库函数名称ｉｎｔｉｎｔｉｎｔｓｃ命令码１８Ｈ１９Ｈ２０Ｈ２１Ｈ２２Ｈ２３Ｈ２４Ｈａｌｌ２５ＨｓｅｔｄａｔｅｓｅｔｔｉｍｅｚｏｎｅｗｒｉｔｅｄａｔａｓｃＳＣｉｎｔＳＣ——ｕｐｄａｔｅ——ｄａｔａｉｎｔＳＣｄｅｌｅｔｅｄａｔａｉｎｔＳＣ——ｃｈｅｃｋ——ｌｏｇｉｎｔＳＣ——ｒｅａｄ——ｌｏｇｉｎｔＳＣｗｒｉｔｅｄａｔａ上位机和控制器的单片机是采用的主从式通信，由于从机即控制器有多个，每个从单片机都有一个唯一的地址码，与上位机通信时，将控制器设置在串口通信模式２，能够接收上位机的地址码，首先上位机给所有的控制器发送一个字节的地址码，控制器接收到地址后对其解码，然后将获得的地址跟自己的地址对比，如果接收到的地址与控制器设定的地址不同，则控制器仍处于串口通信模式２下继续接收地址，对其他的数据置之不理。如果接收到的地址与控制器设定的地址相同，则控制器知道上位机对其发起通信要求，此时单片机转入数据接收模式，武汉理ｒ大学硕十学位论文即串口通信模式３，且允许接受上位机发来的数据。上位机与控制器的通信是通过地址的查询与对比来确定唯一的从机，从机收到地址后与自己对比，地址相同则确定通信的从机是该单片机，从而将通信模式转到数据接收模式下。通信协议中数据帧是一个字节的命令码Ｊｒ始的，控制器收到数据帧后从中读取命令码，然后到单片机内部的命令码中查询该命令码的功能，然后跳转到相应的函数段去执行该命令，串口通信协议中数据帧的格式如图４—５所示。图４．５串行通信数据帧的格式控制器串行通信中断子程序设计的流程图如图４．６所示。图４－６串行通信流程图武汉理．Ｉ＝人学硕十学位论文第５章总结与展望在安防领域，门禁系统已经成为了今后的发展重点，并且将会得到越来越广泛的应用。本门禁控制系统是集控制技术、计算机技术、通信技术、ＲＦＩＤ技术和数据库技术于一体设计而成，应用于建筑的智能化门禁监控和管理。经过充分的调查和对智能门禁系统发展现状的分析，设计了以ＰＩＣｌ８Ｆ２６８０单片机为核心，以射频识别技术为基础的可以满足智能建筑的安防和管理的门禁系统。根据设计的成本和实际需要，选择ＰＩＣ的单片机、ＲＸ３３ＩＯＡ无线接收芯片、ＭＡｘ４８５串口通信芯片以及Ｘ５０４５“看门狗”定时器来完成读卡器的硬件设计，取得了预期的成果。采用Ｃ５１语言完成了读卡器的软件设计包括（系统初始化、ＲＦＩＤ信息的读取、电子锁的控制和报警系统的设计）以及读卡器的串行通信程序的设计。由于经历的有限且时间不够充分，在设计和研究该门禁系统时，系统的有些功能并没有设计只是在理论研究阶段，还有些功能只是设计阶段没有真－Ｆ的实现，该系统还需要在今后的工作中进一步的研究和改善。在设计和开发该门禁系统时，主要考虑的是系统功能的实现问题，搭建一个能够符合理论设计要求的系统，采用的是易于实现但不一定是最优的方案。可考虑在读卡器上增加键盘，在读卡后再输入密码以增加系统的安全性。在一些重要的场所可以考虑采用指纹识别和射频识别同时使用增加系统的安全性。本系统的管理软件设计不完善，没有实现到多机互联等功能。高级智能门禁系统是当前门禁系统的重要发展方向，随着社会的发展和人们生活水平的提高，智能建筑和智能小区的发展将同益迅猛，作为智能建筑安防系统的一个重要组成部分，智能门禁系统将是保证人民人身和财产安全的最丰要的安防措施之一。智能门禁系统的应用也将越来越广泛，不仅可用于智能建筑和小区的门禁控制，还可以用于企业的考勤管理、安防报警和停车场控制等领域。５ｌ武汉理Ｔ大学硕十学位论文参考文献【ｌ】李元忠．射频识别技术及其在交通领域的应朋［Ｊ】．电讯技术．２００２．５【２】王爱英．智能｝技术一ＩＣ卡【Ｍ】．Ｊ匕京：清华人学出版社．２０００【３】沈宁超，沈树群．射频识别技术及其发展现状【Ｊ】．电子技术应Ｈｊ，１９９９．４【４】郎为比．射频识别（ＲＦＩＤ）技术原理与应Ｈｊ．北京：机械Ｉ：业出版社，２００６．６【５】赵永江．楼宁的ｆＪ禁、监控及车库管理系统．｜匕京：中国电力出版丰十，２００５【６】王汝琳．智能门桨控制系统．北京：电子：Ｉ：业出版社，２００４．９【７】史纪元，黄忠义．智能门禁系统设计ｆＪ】．潍坊学院学报，２００５．５【８】何立民。单片机应件ｉ技术选遍【Ｍ】－ｊ匕京：北京航空航天人学出版社，２００５．【９】９何泉，曹刚．基于射频识别技术的联机型门禁系统设计，北京化一Ｉ：大学信息科学与技术学院，北京１０００２９【ｌＯ】吴俊君．智能楼宁门禁系统研究与实现．科技信息．２００７．２【１１１Ｒａｗａｌ，Ａｍｉｔ．ＲＦＩＤ：Ｔｈｅ【１２】ＭＡＸＩＭｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｕｔｏ－ＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］，ＭｉｃｒｏｗａｖｅＪｏｕｒｎａｌ，２００９Ｌｏｗ－ｃｏｓｔｕｐＳｌｅｗ－Ｒａｔｅ—ｌｉｍｉｔｅｄＲＳ４８５／４２２Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｘｉｍ－ｉｃ．ｃｏｍ【１３】邵凯．单机１卜接触式ＩＣ卡门禁系统的改进设计研究．电脑与信息技术２００７．０３【１４】周春雷．基丁．嵌入式控制的门禁系统的设计与研究．机械制造与自动化２００９．０１【１５】ＡｎｇｅｌＶ．Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖ．ＤｉｇｉｍｌＰｕｌｓｅ—ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｉｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｉｒｃｕｉｔｓ：ＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，２００５．【１６】刘希若．无线门禁系统的设计与实现．科技，。场２００７．７【１７】王伟．射频识别（ＲＦＩＤ）技术及其应用的研究．安徽师范大学学报，２００８．３【１８】马伏花．基丁．ＲＦＩＤ的车辆自动识别系统信息采集基站的研究与设计．湖南人学硕＋论文．２００７．３【１９】王红林．基丁．ＲＦＩＤ技术的门禁控制管理系统设计与实现．南京信息Ｉ：稃人学．２００６．５【２０】马文科．基Ｔ－ＡＲＭ的指纹识别门禁系统的设计与实现．湖南大学硕十论文．２００９．４【２ｌ】千伟．基ｙ－ＲＦＩＤ技术的小区车辆出入管理系统．青岛大学硕十论文．２００８．６【２２】李勇．基于ＲＦＩＤ与人脸识别技术的智能门禁系统研究与设计．重庆人学硕士论文．２００９．４【２３】ＹａｎｇＧ，Ｔ－Ｓ．Ｈｕａｎｇ．Ｈｕｍａｎ１９９４Ｓｆａｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｌｅｘｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，５２武汉理．１：人学硕ｔ学位论文【２４】秦霆镐，于坤，池彳．ｊ柱．基于ＭＳＰ４３０的椎接触式指纹ＩＣｔｆＪ禁系统的设计．仪表技术．２００９．２【２５】炅勇祥．射频识别技术（ＲＦＩＤ）研究现状及发展展望【Ｊ】微计算机信息，２００６，１１【２６】沈晶，沈祺，赵为平，刘海波．无线射频识别技术与应川研究综述Ｄｑ；黑龙江省计算机学会２００７年学术交流年会论文集【Ｃ】；２００７【２７】ＴｅｐｖｏｒａｃｈａｉＧｏｒｅ，ＰａｐａｃｈｒｉｓｔｏｕＣｈｒｉｓ．ＦａｃｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＯｎｕｓｉｎｇａｃｏｇｎｉｔｉｖｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｅｌ［Ｃ］，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＳｙｓｔｅｍｓ．ＡＨＳ２００８．３ｏｆｔｈｅ２００８ＮＡＳＡ／ＥＳＡＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＡｄａｐｔｉｖｅＨａｒｄｗａｒｅａｎｄ【２８】Ｎ．Ｍ．Ａｌｌｉｎｓｏｎ，Ａ．Ｗ．Ｅｌｌｉｓ．Ｆａｃｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：ＣｏｍｂｉｎｉｎｇｃｏｇｎｉｔｉｖｅｐｓｙｃｈｏｌｏｇｙａｎｄｉｍａｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９２．５ｆ２９】ＫａｒｍａｋａｒＮｅｍａｉＣｈａｎｄｒａ，ＲｏｙＳｕｓｈｉｍＭｕｋｕｌ，ＩｋｒａｍＭｕｈａｍｍａｄＳａｑｉｂ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｍａａａｎｔｅｎｎａｏｆｆｏｒＲＦＩＤｒｅａｄｅｒ［Ｃ］．２００８ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲＦＩＤ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ），２００８．６【３０】肖增良，乐晓波，陶智洋．手持式Ｉｃ书读写终端的设计与实现．电脑知识与技术．２００９．Ｏｌ【３ｌ】秦燕青，葛元庆．Ｓ０１５６９３非接触式ＩＣ卡射频前端电路的殴计．中国集成电路２００８．０４【３２】秦Ｋ江，赵时曼，陈珂，曹奇英．非接触ＩＣ管无线数据采集系统殴计．微计算机信息．２００８．０４【３３】高幼年，贺雪晨，郑毓．基于非接触式ＩＣ卡的信息管理系统．现代电子技术．２００５．８【３４】董人伟．非接触ＩＣ卡前端模拟电路设计．西安电子科技人学【３５】ＬａｗｒｅｎｅｅＥ．Ｌａｌ葛ｏｎ，ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｅｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｅｕｉｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＬｏｗ·ＰｏｗｅｒＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥＥＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８【３６】ＲａｚａＮ，ＢｒａｄｓｈａｗＶＲＦＩＤＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９．８ＨａｇｕｅＭ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＲＦＩＤＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＩＥＥＥＣｏｌｌｏｑｕｉｕｍｏｎ【３７】ＦｌｏｒｅｓＪ．Ｌ，ＳｒｉｋａｎｔＳ，ＳａｒｅｅｎＢ．ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＲＦＩＤｔａｇｓｉｎｏｎｎｅａｒａｎｄｆａｒｆｉｅｌｄ．Ｉｎ：２００５ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｅｒｓｏｎａｌＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２００５．３【３８】倪吴．非接触式ＩＣ卡天线的集成化研究及芯片设计．中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）【３９】程亮，赵峙江，王钤．基于ＧＰＲＳ和射频ＩＣ＃的分布式考勤管理系统．应用科技．２００８．０１【４０】秦玉龙．基于ＧＰ３２单片机非接触式ｌＣ卡读写器的设计与实现．北京电子科技学院学报．２００８．０４５３武汉理Ｉ：人学硕十学位论文【４ｌ】闫群民．基于非接触式ＩＣＲ的高速公路收费系统设计．计算机测量与控制．２００９．Ｏｌ【４２】亢军贤，尚永平，李武社．无线射频识别技术与应Ｈｊ研究综述．甘肃科技．２００８．０９【４３】Ｄｅｙｌｅ，Ｔ．Ｋｅｍｐ，Ｃ．Ｃ．；Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｍ．Ｓ．ＰｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃｍｕｌｔｉｐｌｅａｎｔｅｎｎａｓａｎｄａＵＨＦＲＦＩＤｔａｇｐｏｓｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐａｔｈＲＦｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｏｂｏｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ，２００８．ｏｎＩＲＯＳ２００８．ＩＥＥＥ／ＲＳＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２２·２６Ｓｅｐｔ．２００８．０９【４４】Ｐａｌａ，Ｚ．；Ｉｎａｎｃ，Ｎ．Ｓｍａｒｔ１ｓｔＡｎｎｕａｌ５－６Ｓｅｐｔ．２００７．０９ＰａｒｋｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＵｓｉｎｇＲＦＩＤＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＲＦＩＤＥｕｒａｓｉａ，２００７【４５】ＷａｎｇＹａｎｙａｎ；ＺｈａｏＸｉａｏｆｅｎｇ；ＷｕｄａｔａＹａｏｈｕａ，ＸｕＰｅｉｐｅｉ，ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＲＦＩＤｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ’ＳａｎｄＬｏｇｉｓｔｉｃｓ，２００８．ＩＣＡＬ２００８．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｌ·３Ｓｅｐｔ．２００８．０９Ｔ．Ｐｏｇｇｉｏ．Ｅｘａｍｐｌｅ－ｂａｓｅｄｌｅａｒｎｉｎｇｆｏｒｖｉｅｗ—ｂａｓｅｄｈｕｍａｎｆａｃｅＰａｔｔｅｒｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＭａｃｈｉｎｅ［４６】ＳｕｎｇＫ－ＩＬＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，１９９８．０７武汉理’『：人学硕十学位论文作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文【ｌ】陈锦，谭思云，姜涛．基于射频识别的小区门禁系统设计．仪表技术，２０１０，５，ＩＳＳＮ１００６－２３９４５５武汉理ｆ：人学硕士学位论文致谢毕业论文虽然已经完成，但是我的心情难以平静。十九年的求学生涯让我有太多的回忆和感慨，在这景我要真心的感谢每一个无私的帮助过我的人，感谢我的亲人，我的导师，我的同学和所有在我求学道路上给我指导、给我信心和希望的人。本论文是在导师谭思云老师的悉心知道下完成的，由衷的感谢他在这三年中对我的培养和悉心指导。谭老师严谨的治学态度、广博的学识、随和的为人是我研究生阶段汲取的宝贵的精神财富，他身体力行，言传身教以及忘我的工作作风给我留下了难忘的印象。在谭老师的悉心指导下，我不仅学到了严谨的学习工作作风、扎实的科研精神，还学到了更多的为人处世之道，他对学术的前沿问题具有敏锐的洞察力，在我的课题中为我指明了正确的方向。在研究期间心情低落时，是谭老师鼓舞和激励着我，在同级中落后时，是谭老师的帮助和指点使我知耻而后勇，在人生的赛道上永不气馁，所有的这些都是我今后人生旅途的宝贵财富。感谢一直以来与我共同努力的姜涛、陈敏、阂绚，和他们朝夕相处、互相帮助、互相支持和理解，他们给予我积极的配合和无私的帮助，在愉悦的学习环境中才得以顺利的完成课题。感谢我的室友周菜，在我遇到困境的时候是他在支持我、帮助我，从他身上我学到了很多东西。感谢实验室的师兄、师姐、师弟，没有他们的帮助，我将无法顺利的开展研究工作，在这个集体中，我感到幸福和骄傲，是大家的共同奋进激励着我在前进的道路上勇往直前。真诚的感谢我的家人和所有的朋友，谢谢你们多年来所给予我的无私支持和关爱！最后，感谢评阅本文并提出指证批评意见的所有专家学者！基于射频识别技术的门禁系统研究

作者：

学位授予单位：

陈锦

武汉理工大学

1.学位论文 李勇 基于RFID与人脸识别技术的智能门禁系统研究与设计 2009

随着社会经济的高速发展，人们开始追求舒适、安全的生活环境，智能建筑随之迅猛发展，门禁系统作为智能建筑中的重要单元越来越得到重视。传统的门禁系统多采用机械锁、刷卡等识别认证方式，要求人员近距离持卡操作，当使用者双手被占用时则显得极不方便，同时也带来了丢失、遗忘、复制以及被盗用的隐患和成本高的问题。
　　

针对传统门禁的隐患，本文设计了一种采用RFID和人脸识别技术的高安全性、高智能化的门禁系统，是在通过RFID初步认证的基础上，利用人脸识别技术进一步确认进入人员的真实身份的一种高精度、快速认证的人体生物识别智能门禁系统。当使用者进入门禁系统检测范围时，系统会自动获取使用者的身份信息以确定是否为合法用户，同时启动摄像机获取人脸图像并实施人脸认证，同时可以记录进出人员信息并对非法入侵者发出报警信号。本文开展的主要研究工作如下：
　　

①调研和分析了国内外智能门禁系统的发展现状，总结出国内智能门禁的特点和存在的问题，提出基于RFID技术和人脸识别技术的智能门禁系统设计的思想。
　　

②设计和制作出门禁系统中的RFID卡、门禁控制器和LF发射天线等。RFID卡与门禁控制器之间采用智能无线双工通讯方式进行数据传递，以实现系统的快速响应和高精度认证，其中RFID卡和门禁控制器微处理器分别采用微芯科技公司的16和18系列的PIC单片机实现。
　　

③引入了人脸认证模块。在Windows XP操作系统下，对采集到进出人员图像信息进行人脸检测并与RFID信息对应人脸进行认证。
　　

④设计了系统管理软件功能和界面。通过网络通讯传送控制命令，完成对门禁电路、ID卡信息采集、视频采集等操作，并实现RFID模块和人脸认证模块通信。
　　

⑤设计了系统网络远程控制模块。通过网络实现多门禁互联和远程监控管理，并设置扩展接口以便与其它系统进行扩展。

2.期刊论文 尼涛.杨宏.艾春安 基于RFID技术的车辆管理门禁系统设计 -工业控制计算机2005,18(9)

射频技术是一种新型的自动识别技术,具有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点.将射频识别技术引入到车辆门禁系统中,提高了车辆管理的科学性和可靠性.介绍了射频识别原理及特点,阐述了系统的工作原理和软硬件结构.

3.会议论文 龚卫国.李勇.杨利平 双重认证智能门禁系统的研究与设计 2009

本文介绍了一种双重认证智能门禁系统的设计方案．该方案采用射频识别RFID(RadioFrequency Identification)和人脸识别技术进行双重认证，从而能很好地满足住宅小区和普通家庭的门禁认证和安防的需要．当使用者进入门禁系统检测范围时，系统会自动获取使用者的身份信息以确定是否为合法用户，同时启动摄像机获取人脸图像并实施人脸认证．结果表明本设计方案，通过采用射频识别和人脸识别的双重认证能使使用者进出门禁更加方便并能大大提高安全防护的等级．

4.期刊论文 郭腾飞.刘齐宏 RFID技术在自行车防盗系统中的应用 -科协论坛（下半月）2010(4)

为了解决自行车被盗的现象,应用RFID电子射频技术,结合门禁控制系统,开发了一种自行车防盗系统.筒述了RFID的工作原理,并且详细地介绍了系统的软硬件设计及其实现的各种功能.该系统能快速地读取自行车的车辆信息,并且在读卡器上面设置加密操作,通过控制计算机管理门禁控制器的正常工作,从而达到了给自行车安装\"电子身份证\

5.学位论文 郑华蓉 采用RFID技术的智能门禁系统设计 2006

随着信息技术和自动识别技术的飞速发展，门禁系统智能化的程度越来越高，已经成为现代建筑智能化的标志之一。传统的磁卡式门禁系统由于其读写速度慢、易磨损等缺点已不能适应现代智能建筑对安防系统的要求；射频识别技术的出现弥补了这些不足，射频(RFID)卡是无接触式IC卡，读写速度快，寿命长。因而射频卡技术在门禁系统中的应用已经成为当今门禁市场的主流。

目前，国内外射频门禁产品普遍是针对大型建筑设计的，其单门的门禁控制器容量都集中在2000人左右，对于小型公司、便利店、家庭等一些用户较少的场合，会造成资源的浪费。由于这些场合对门禁系统的需求量大且需求趋势增长很快，针对这种需求，本文开发了一种基于RFID技术的小型智能门禁系统，具有现实的社会意义和经济价值。

本文系统分析了智能门禁技术的发展状况和智能卡技术在门禁系统中使用的优点，重点对射频技术原理和射频卡在门禁系统中的应用进行研究，分析了目前智能门禁系统的几种方案，结合本系统的要求特点，确定了一种“一体式门禁系统+总线技术”构成的楼宇系统方案，该方案能实现门厅大门的门禁管理及楼宇各单元房间的数据交换。主要完成以下的工作：

1、完成了工作在13.56MHz频率下的RFID卡读写器的天线及电路设计，RFID卡与读写器之间的通信协议符合ISO14443TypeA标准。

2、设计完成了门禁系统的控制部分的硬件和软件，系统除了具有一般门禁系统所要求的逻辑功能外，还能提供一条与楼宇各用户单元数据传递的数据总线。

3、采用不平衡-平衡转换技术，设计完成了楼宇视频音频系统，该系统克服了楼宇音视频信号传输中由于多用户共用所造成的共地干扰问题。

6.学位论文 杜丽丽 一种门禁管理系统的开发 2003

该文介绍了一种基于非接触式IC卡-射频卡的门禁管理系统,阐述了门禁系统的发展现状,通过对各种识别技术的比较,选择了目前比较成熟的技术-射频识别,开发了该套门禁管理系统.结合CHD805A智能门禁控制器给出了系统的总体结构,并对主要组成部分的功能及具体实现做了详细论述.该次开发的门禁系统在充分考虑控制系统部分的安全、软件系统的安全、通讯系统的安全、电源系统的安全的基础上,采用了以下几个创新点:1、开发中间层动态链接库;2、开发了通讯接口程序,及时地将门禁系统的考勤信息发送到液晶大屏幕上.门禁系统在国民经济和人民生活的各个领域中的作用越来越大.该次开发的门禁系统已经被某单位使用,并受到用户好评.

7.期刊论文 袁万锦.张革.YUAN Wan-jin.ZHANG Ge 基于RC500的智能门禁控制系统研究 -河北工业科技2006,23(5)

介绍了基于RC500的智能门禁控制系统的设计与开发,门禁控制器主要由射频天线、读卡模块、单片机控制系统及RS485通信接口组成,由RS500接口与PC机组成通信网络系统,并给出了ATC52与MF RC500的接口原理图,对读卡程序进行了说明,最后给出了主要程序设计的流程图.

8.学位论文 糜彤 基于LON总线的校园一卡通系统方案及Web数据库设计 2002

该课题利用LONWORKS技术优越的联性和射频识别IC卡的优越性能,以校园环境作为应用场所,全面阐述了校园一卡通的整体方案设计以及系统数据库设计.论文共分为两大部分;系统整体方案设计和系统Web数据库的设计.共计四大章节.首先,在论文的绪论部分,简要的阐述了一卡通系统的发展现状及不足,以及课题背景等;其次,在论文的第二章,简要介绍了LON总线技术的特点及网络特性;再次,在论文的第三章,给出了基于LON决线技术的详细设计方案,提出了一种新颖的校园\"一卡通\"网络架构,并从系统实时性、安全性及扩展性等多个方面进行了论证;在论文的第四章,对读卡机及门禁控制器进行了设计;最后,在论文的第五章,按照数据库的规范化设计步骤,对系统Web数据库进行了设计并利用SQL Server 2000数据库管理系统进行了实施.

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下载时间：2011年3月20日