基于非接触式ic卡的门禁控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于非接触式ic卡的门禁控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

磁、计算机、物理及通信技术为一体的高新技术。 本课题研究的是一种基于非接 触式 IC 卡射频技术的门禁控制系统 [1]。 射频识别即 RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称电子标签、无线射频识别是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。 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 储信息更加自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化 [2]。 随着识别技术的诞生以及成熟化，极大地推进了安全事业的发展，为重要部门出入口实现安全防范管理提供了更多的解决方案，加上传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开，此种情景下，门禁控制系统应运而生。 门禁控制系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术，适用于各种机要部门，门禁控制系统最大限 度地减少了给人们带来的利益损失，促进了社会环境的和平稳定。 本文研究的目的与意义 门禁控制系统能够有效地控制人员的出入，并且记录所有出入的详细信息，以实现出入口的方便、安全管理，控制系统可以联网和脱机工作，门禁控制系统的推出将缓解大人流快速通过的问题，同时可以结合视频图像联动接入，保安可对出入人员进行实时监控和查询，管理人员能方便地统计、打印或导出门禁上位机数据信息，本课题采用了非接触形式的无线标签来作为数据传输的媒介，非接触出入控制的读取设备被尘土、污垢或是潮湿损坏的机率非常小，此外，天线可以完全隐蔽地安 装在墙内，不会被恶意破坏，大大提高目 录 佳木斯大学教务处 2 了安防性。 本课题研究的基于非接触式 IC 卡的门禁控制系统正是为了达到上述的目标而进行设计的，对于将来的安防事业付出了自己的一份力量，有利于营造更加美好和谐的社会环境。 随着科技的发展，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，而基于非接触式 IC 卡的门禁控制系统针对于集成应用提出了可行性方案，具有重要的意义。 国内外研究现状 国 内研究现状 国内对门禁系统的研究刚开始只是处于认识教育和试用阶段，而现在逐渐步入了研发阶段，门禁系统主要有下几点不足之处：运用国外现成的集成模块；仿造国外研制好的系统；产品的类型比较少、系统开发成本较国外很高。 国内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。 门禁系统利用的零件多数采用国外原材料和先进集成电子工艺，所以它的性能比较高。 上述的门禁控制系统几乎都可以同时控制多个门，能够实现多门监控机制；很多企业把它做成企业的一卡通系统，实现数量大的人员管理。 门禁系统是由多个独立部件有机集 成而构成的，若要想升级系统，仅仅需要对系统的某一部分进行升级，然后再组装即可。 总体来讲，国内对门禁系统的研究仍然处于感知层次，在理论方面的研究还是比较欠缺的 [3]。 国外研究现状 国外门禁系统经过数十年的技术与销售沉淀，系统的稳定性很好，返修率估计在千分之二到五之间，人性化的功能比较少，系统集成的功能比较强大，提供成套的和弱电集成的方案，软件操作会比较复杂。 随着科技的发展，最近几年，国外门禁系统市场愈来愈成熟，它的产业分工进入了细分阶段，生产卡片和读卡器的厂家就单单生产卡片和读卡器，如德国的 Destele 公司。 生产控制器的公司单单生产软件和控制器。 从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，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。 国外门禁系统的知名品牌有休斯 (HID)、洛泰克 (NTK)、西屋 (WSE)以及英国的集宝等。 国外研制与应用的门禁控制系统主要包括两类：感应和生物识别门禁系统，生物识别又以指纹识别运用得最为广泛 [4]。 伴随计算机图像处理、模式识别理论与大规模集成电路技术目 录 佳木斯大学教务处 3 的不断发展，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低。 据国际生物认证团(IBG)调查得知：美国生物认证市场在 2020 年的时候已经突破了 7 亿美元，而指纹识别就占据了近 50%。 本文研究课题的发展前景 射频识别技术的发展将会在电子标签、读写器、系统种类、标准化等方面取得新的进展。 电子标签芯片需要更低的功耗；无源标签、半无源标签技术更加成熟；更远的作用距离；更加完善的无线可读写性能；高速的移动物品识别；高频远距离系统性能更加完善；对标准化基础性研究更加深入、成熟；标准化被更多的企业接受；更好的系统模块可替换性。 门禁控制系统未来的主要发展趋势包括外观工艺、易安装、强大的联 网、远程管理、扩展及升级性、硬件稳定性以及方便的系统整合；门禁软件的功能需求也需逐渐增强，包括系统联动功能、网络化、资料集成与共享、开放协议、数据库自动备份、访客图像或证件验证以及在线布防与在线撤防；门禁控制系统的技术将同时向 IT 方向发展，由于 TCP/IP通信协议的优势：实时响应和管理与方便的扩展性，使得 TCP/IP 协议将成为门禁控制系统与 IT 兼容的协议的主流。 本文主要研究内容 本文主要是在非接触式 IC 卡的基础上，研究如何利用单片机以及相关的外围设备来完成对非接触式 IC 卡的读写控制，读写模块采用的 是周立功公司生产的 ZLG500AT(天线一体式 )模块，意即通过单片机 (STC89C54)控制 ZLG500AT 模块，综合 ZLG500AT 库函数和单片机用户程序来协调 IC 卡的读写工作。 相关的输出信息可以在液晶显示屏幕上直观地呈现给用户，并且通过按键可以设置、查询必要的信息，当进行操作时，语音系统会返回相应的语音信息，使整个系统更加人性化。 在本文的后半部分，主要在软件和硬件两个方面对系统进行调试，从而发现问题、分析问题，最后解决问题达到优化系统的目的。 目 录 佳木斯大学教务处 4 第 2 章 系统的理论基础 系统相关的电磁理论知识 天线场的 概念 电子标签和读写器通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输信道。 传输信道的性能取决于天线四周的场区特性。 射频信号与距离的高次幂成反比，离开天线越远，信号减小得越迅速。 根据观测点与天线的距离可以把天线四周的场区分成无功近场区、辐射近场区与辐射远场区三个区域 [5]。 无功近场区是一个近场区域，它是处于天线辐射场中，并且紧邻天线口径。 在此区域中起着支配地位的是具有电抗性的储能场。 无功近场区也可以理解为一个储能场，该储能场中电场与磁场的转换与变压器中的电场和磁场之间的转换相似。 越过无功近场区 的界限就进入了辐射近场区，辐射近场区的电磁能已经脱离了天线的束缚，而是作为电磁波进入空间 [6]。 在辐射远场区域中，场区的角度分布与距离没有关系。 对于某个距离值，辐射场角度分布与距离为无穷大时的角度分布误差在允许范围内时，我们把这一点到无穷远处的区域叫做辐射远场区。 辐射远场区与辐射近场区的分界距离 R 为 :  22R D (21) 其中， D 为天线的直径，  为天线的波长， D 。 一般情况下采用 1/ L 或 1/ L (L 为天线的尺寸 )的天线结构模式，这是因为电子标签与读写器天线的尺寸的限制。 辐射远场区和无功近场区的距离估算依据就是波长。 能量耦合 射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离就是射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。 根据距离的不同，标签与读写器两者天线之间的耦合系统可以为是三类：密耦合、遥耦合以及远距离系统 [7]。 1．密耦合系统 密耦合系统，又称为紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，它的常见作用距离为 0~1cm。 一般情况下需要将射频标签插进读写器卡槽当中，若是非接触的方式，也可以把标签放置到读写器的天线表面。 在射频标签与读写器天线的无功近场区之间，通目 录 佳木斯大学教务处 5 过电感耦合 (闭合磁路 )构成了无接触空间信息传输射频通道，密耦合系统正是利用这个通道展开工作的。 密耦合系统常见的工作频率多数都是低于 30MHZ。 2．遥耦合系统 此类系统常见的作用距离为 1m，所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感 (磁 )耦合，因此也将这些系统称作电感无线电装置。 目前在用的射频识别系统的 90%~95%都属于电感 (磁 )耦合系统。 遥耦合系统典型工作的频率为 ，也有一些其他的频率 (如、 等 )。 耦合系统目前是低成本射频识别系统的主流。 遥耦合系统又可细分为近耦合系统 (典型的作用距离为 15cm)与疏耦合系统 (典型的作用距离为 1m)两类，如图 21 所示。 遥 耦 合近 耦 合 （ I S O 1 4 4 4 3 ）疏 耦 合 （ I S O 1 5 6 9 3 ） 图 21 遥耦合系统的分类 3．远距离系统 在读写器与电子标签两者天线之间，通过电磁耦合形成了无接触空间信息传输射频通道，远距离系统正是利用这个通道来运行的。 远距离系统的常见作用距离为 1~10m，个别系统具有更远的作用距离。 远距离系统的常见工作频率为 915MHZ、 和 等等。 数据的传输与安全性 数据的传输原理 在射频识别系统当中，读写器和电子标签之间的通信主要依靠电磁波来实现，根据通信距离可以将其区分为远场和近场两种类型。 在读写器 和电子标签之间进行数据交换，可以通过负载调制和反向散射调制两种方式来进行 [8]。 1．负载调制 近距离的低频 RFID 系统的实现主要依靠准静态场中形成的祸合。 此种形式下，电子标签与读写器天线之间能量的交换方式与常见的变压器原理相似，我们把它叫做负载调制，这种调制就是利用负载的某些差异或负载的变动而使信号源的某种或某些参数发生相应改变的过程或效应。 射频卡的天线 (或线圈 )是读写器发射天线 (或线圈 )的负载，射频卡通过改变天线回路的参数 (比如谐振和失谐 )，使读写器端被调制，进而实现了以微弱的能量目 录 佳木斯大学教务处 6 从射频卡到读 写器的数据传输。 2．反向散射调制 在 915MHz 和 的 RFID 系统中，读写模块与电子标签之间的距离有几米，然而载波波长只有几十厘米。 我们将读写模块与电子标签之间的能量传递方式称为反向散射调制。 反向散射调制的含义为：无源 RFID 系统中电子标签把信号传送到读写器所运用的一种通信方式，其原理如上图 22 所示。 依据要发送数据的种类，控制电子标签的天线阻抗使反射的载波幅度变化很小，于是反射载波幅度就携带了所需传送的信号。 Z中 频 振 荡 器与 门S 1数 据匹 配 网 络阻 抗 开 关中 频 调 制 图 22 电子标签阻抗控制方式 待发送的数据信号具有两种电平，利用中频信号与简单的混频器完成调制，将阻抗开关连接到调制结果，它用来更改天线的反射系数，然后再调制载波信号。 整个数据通信链路中仅包含一个发射机，但是实现了双向的数据通信。 电子标签根据要发送的数据通过控制天线开关，来改变匹配程度。 这样一来，从标签返回的数据就被调制到了返回的电磁波幅度上。 数据的安全性 在射频识别通信网络中，所有通信内容都是通过无线信道传送的。 射频识别通信网络也是一种无线通信网络。 无线通信网络的优势 来源于他们所采用的无线通信信道，而此信道是一个开放性信道，它在赋予无线用户通信自由的同时，也给无线通信网络带来一些不安全因素，如通信内容容易被窃听、内容可以被更改以及通信双方身份可能被假冒等。 为保证 MIFARE1 卡数据通信中的安全性和可靠性， MIFARE1 卡和读卡器之间的通信使用三次认证令牌机制，其步骤如下： A 环： M1 卡向读写器发送数据 RB(随机 )； B 环：读写器收到 RB 后向 M1 卡发送数据 TOKEN AB(令牌 )，包含读卡器发出数据 目 录 佳木斯大学教务处 7 RA(随机 )； C 环： M1 卡收到 TOKEN AB 后，对 TOKEN AB 的加密部分进行解密，检查 B 环中接收到的 TOKEN AB 中的 RB 与 A 环中 M1 卡发送的 RB 是否一样； D 环：在 C 环校验正确的前提， M1 卡向读写器发送令牌 TOKEN BA； E 环：读写器收到令。