基于RFID技术门禁系统的设计

摘要：为了提高门禁系统快速识别功能，提高不同的场合下的识别效果， 确保各重要部门出入口安全。对基于Philips公司生产的RC500组成的门禁系统进行了探讨，介绍了门禁系统中射频技术，本系统采用了工程上成熟的RS485通讯技术，大容量FLASH存储，I/O输入输出功能，实时时钟功能，使用美国Cygnal公司生产的C8051系列单片机，借助一些系统分析工具和语言来实现系统的分析规划，从而使得系统的稳定性和安全可靠性有了很大程度的提高。

关键词：RFID； RC500； C8051； 门禁

中图分类号：TP3681 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2014）01-0035-03

0引言

门禁系统是对人员或物品在进出通道时进行管制的系统，只有在对象经过授权得到许可方可出入，以前多是由安保人员通过人工识别或登记来完成[1]。近年来，随着半导体电子和生物科学的高速发展，特别是射频识别技术、生物识别技术的发展，门禁系统也得到了飞跃式的改进与升级，出现了射频卡门禁系统、指纹门禁系统和面部识别门禁系统等各种系统。这些系统在安全性、方便性和易管理性等方面各具千秋，是确保各重要部门出入口安全的有效措施，现已广泛应用于各领域。

1门禁系统概述

门禁系统一般由电子标签、门禁机、主机三大部分组成。其中，电子标签基于RFID技术，这是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，概括来说，就是一种自动识别技术。该技术于20世纪90年代兴起，并日渐走向成熟。RFID利用射频信号通过与门禁机内天线的空间耦合（交变磁场或电磁场）实现与门禁机无接触信息传递，并借助所传递的信息达到识别目的[2]。门禁控制器则通过对射频信号的有效识别，最终实现对进出通道的人员或物体进行管理。另外，经由通讯网络，由主机来实现对门禁数据的监控、进出信息的汇总等。门禁系统的整体结构示意图如图1所示。

门禁机是管理门禁的核心部件，除了实现对出入门的管理外，还应具有与主机通讯功能、数据存储功能、防撬报警功能、实时时钟功能，以及在某种特定的情况下可实现出入门的常闭和常开功能。对其主要功能分析如下。

（1）射频处理功能

目前，国内外的射频处理芯片均已推出多型、多款，国外的Philips、Ti、Atmel、Simens均已具有相应产品，而国内的华虹、复旦微电子等也相继研发了同类产品，上海公交、地铁即已采用了国产华虹、复旦微电子的射频模块和RFID芯片[3]。在安防门禁行业，目前使用最多的当属Philips生产的Mifare系列产品。本文采用Philips公司生产的高集成度TYPE A读写器芯片MF RC500，载波频率为13.56MHz，在其内部集成了编码调制和解调解码的收发电路，并含有64字节的收发FIFO缓存器。而通过内部地址锁存和IRQ线，以及内部集成的并行接口控制电路，RC500可以很方便地实现与MCU接口通讯，并且数字、模拟、发送电路均有各自独立的供电电源，天线驱动电路也仅需很少的外围元件就可实现射频通讯，有效距离最大可达100mm。其应用电路图如图2所示。

（2）采用工程上成熟的RS485通讯技术

通讯技术目前可见的多为以下几种：RS485、基于TCP/IP的以太网、光纤通讯、CAN总线、维根通讯等。若从布线的难易程度、成本以及对线缆要求等方面加以权衡比较，当今在市场上最为常用的即为RS485接口以及TCP/IP协议。工程上，出入口点较为集中的一般选用RS485，采用五类双绞屏蔽线，并在不加中继器的情况下，理论上最长通讯距离可达1 200米，但在实际应用中考虑到各种干扰以及总线上自带的门禁点数，通讯距离一般均不超过800米。在波特率的设置上普遍采用4 800bps或者9 600bps，而对于校验，除了最常用的CRC、XOR校验外，还有累加和求某个数的模等。另外，对于区域跨度较大的多会选择TCP/IP协议的门禁机，通过内部局域网实现联网监控[4]。本文即选用了基于RS485的通讯技术。

（3）大容量存储功能

门禁机存储的内容主要有两部分：① 刷卡进出信息记录，包括刷卡ID、刷卡时间、以及本门禁机机号等；② 有效或无效卡名单。这也将取决于该门禁机是基于白名单管理还是黑名单管理，前者就是存储器中存储允许出入的有效名单即ID卡号，任何刷卡只需搜索有效名单即可实现管理，对挂失卡只需对存储器中有效名单进行管理就可；后者存储黑名单，一般情况下则需对ID卡进行操作，在卡中写入允许进出的门禁机号，刷卡时识别卡中信息和门禁机是否一致，同时搜索存储器黑名单中是否存在此卡号。在实际应用中，一个门禁机刷卡信息一般需容纳8 000～10 000条记录，存储满额时自动覆盖最初记录，形成一个数据环，有效名单至少5 000条，如黑名单1 000条即可。

（4）I/O输入输出功能

门禁机主要实现对出入门禁的监控和管理，其中的输入信号通常是：门磁信号、按钮信号、防撬监视信号、拨码开关信号。输出信号则表现为：继电器输出信号，在一些特殊场合还有防撬报警输出信号等。以上一般情况下均为开关量，很适合单片机操作。

（5）实时时钟功能

对于实时时钟，其实现方式有两种。其一是利用单片机内部时钟分频产生时间，其二需采用单独的实时时钟芯片，外加后备电池即可，时钟的精度则由晶振的精度和芯片来决定。但是这两种方式都存在着长时间运行、时钟会滞后的缺点，这就需要主机与门禁机的时钟同步调制，应该每隔一段时间，即采用主机时钟更新门禁机时钟。整个门禁机的结构示意图如图3所示。

C8051单片机是美国Cygnal公司研发生产的新型8位单片机，基于CISC结构并采用CIP-8051结构，使单周期的指令速度提高到原来8051的12倍，整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，同时C8051系列单片机采用了开关网络，以硬件方式实现了I/O端口的灵活配置[5]。通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口；对内则是输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上，为端口配置和硬件设计提供了极大便利。关于低功耗设计方面，C8051系列单片机采用片内可编程时钟振荡器，无需外部器件，就可实现2、4、8和16 MHz时钟的编程设定。在外围扩张功能上，C8051系列单片机不断推出含有A/D、D/A、CAN、USB功能的子系列，其中的C8051F120无论在外围功能、存储容量还是运行速度上，均能与ARM、DSP相抗衡，可以用在音频或视频上。在仿真调试中，则采用目前比较流行的JTAG接口（IEEE1149.1），在PC机软件的协同配合下，通过串行的JTAG接口直接对产品进行仿真，同时支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式系统调试，其JTAG逻辑还为系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现监测和控制。

在设计中，文中采用了C8051F340型号，其时钟频率为48MHz，64K字节的flash闪存和4 352字节的RAM，内部振荡器精度达0.25%，完全可以省去外部晶振而不会影响通讯波特率，在通讯接口方面除了UART串口外，还增加了SPI和SMBUS等，由此降低了硬件设计的难度[6]。其应用电路图如图4所示。

3软件设计

系统整体的软件设计主要分为两部分：门禁机底层代码的设计和主机界面信息管理的代码设计，两者间的沟通联系就是借助通讯协议。因而，对于系统分析师来说，设计一个性能优良的通讯协议尤为重要。为达此目的，就必须对系统整体非常了解，对客户的需求和系统实现的功能也必须高度清楚，其中可以借助一些系统分析工具或语言来实现系统的分析规划，同时对复杂的系统进行建模[7]。下面分别对这两部进行分析和阐述。

3.1底层设计

底层代码设计只需画出流程图，按照模块化设计思路展开设计，由于C8051系列可以通过JTAG在线仿真调试，借助基于Keil C平台上开发的C语言，其编译的效率和汇编相差不到10%。整个底层代码主要分为：射频模块、通讯模块、I/O输入输出模块、存储模块。

3.2管理界面设计

管理界面一般分为前台界面信息管理和后台数据库，从软件模块化设计和其后的维护升级来看，多是采用三层结构：前台界面层、中间层、后台数据层。其中，前台界面层可以采用高级语言如：Visual C++、Visual Basic、C++ Builder、Delphi，基于Web则可采用.net构架的C#或者Java语言，可随编者喜好任意选择，但控制标准则为设计界面简洁、且操作方便直观。中间层主要为DLL库或者Activex 控件，其中包含一些对底层门禁机操作的代码，这将随硬件改动而同时升级，一般无需改动[7]。后台数据层就是基于ODBC或者JDBC的数据库连接，一般采用Microsoft公司SQL Server，数据库架构的灵活设计，可以方便今后数据库的迁移升级，如改为ORACLE、DB2等，也利于日后整合至企业的ERP系统里。

4结束语

本文通过结合作者在实际工程应用中的体会介绍了门禁系统的组成。近几年来，由于识别技术高速发展和嵌入式系统性能提高及其成本的相应降低，门禁系统融合了生物识别、RFID身份识别以及图像识别等技术，开展了有关研究，且其中各有优缺点。如何实现快速有效地识别，以及在不同的场合下提高识别的效果则是目前正在研究的重点和热点问题。

参考文献：

[1]瞿小玲.基于RFID的低功耗智能门禁系统的设计与研究[D]. 成都：成都理工大学 ，2012.

[2]游战清，李苏剑. 无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M]. 北京：电子工业出版社 ，2004：285-287.

[3]王汝琳. 智能门禁控制系统[M]. 北京：电子工业出版社，2004，9： 159-163.

[4]陆永宁. IC卡应用系统[M].南京：东南大学出版社，2000：215-220.

[5]何立民. 从Cygnal C8051F看8位单片机发展之路[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2002：56-62.

[6]Michael Jackson. 软件开发问题框架：现实世界问题的结构化分析[M]. 北京：机械工业出版社，2005：3-6.

[7]Steve Hoberman. 数据建模：分析与设计的工具和技术[M]. 北京：机械工业出版社，2004：377-382.

[8]Dean Leffingwell， Don Widrig. 软件需求管理：用例方法[M]. 北京： 中国电力出版社，2004：234-240.