基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計-畢業(yè)設計

1、基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計學生： 指導教師：內(nèi)容摘要：在樓宇中實行門禁系統(tǒng)是很有必要的，本論文介紹的是基于非接觸式IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)，非接觸式IC卡是IC卡的基礎上的一次新革命，非接觸式IC卡樓宇門禁管理系統(tǒng)是IC卡技術(shù)和射頻識別技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。射頻技術(shù)是最近幾年才發(fā)展起來的一種新的識別技術(shù)。我們現(xiàn)在的很多學校大都已經(jīng)采用了這種方便又快捷的新技術(shù)，本文通過對接觸式IC卡和非接觸式IC卡的比較，總結(jié)了非接觸式IC卡的優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡 射頻技術(shù) 樓宇門禁 Design of entrance guard system based on IC card Abstract: I

2、n approximately the entrance guard system is necessary .This paper introduces the building entrance guard system based on contactless IC card. Contactless IC card is IC card on the basis of a new revolution .Non-contact IC card entrance guard building management system is the IC card technology and

3、the product of radio frequency identification technology in combination with each other. Non-contact IC card entrance guard building management system is the IC card technology and the product of radio frequency identification technology in combination with each other. Today we have a lot of schools

4、 are mostly adopted the convenient and efficient new technologies . This article through to non-contact IC card and contactless IC card, summarizes the advantages of contactless IC card.Keywords: no contact IC card radio frequency technology access to the building .目 錄前言11 樓宇門禁系統(tǒng)的介紹21.1 樓宇門禁的背景21.2

5、樓宇門禁系統(tǒng)的發(fā)展22 方案設計32.1 卡式門禁的選擇32.2 門禁系統(tǒng)組成43 硬件設計44 非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)的構(gòu)成54.1 讀卡器64.2 IC卡64.2.1 IC卡的分類64.2.2 非接觸式IC卡的特點74.2.3 非接觸式IC卡的功能組成74.2.4 IC卡的技術(shù)指標74.2.5 非接觸式IC卡的優(yōu)點84.2.6 非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)主要技術(shù)自動識別技術(shù)95 讀寫芯片選用96 射頻接口電路96.1 射頻技術(shù)97 數(shù)字電路部分108 軟件設計118.1 編程語言的選擇1182 主程序設計118.3 MF RC500應用子程序設計128.3.1 AT89C52對MF RC500

6、的初始化128.3.2 AT89C52對MF RC500的操作129 結(jié)束語13參考文獻14V15基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計前言 不知鎖是從什么時候發(fā)明的，可是人們卻對它情有獨鐘，從古至今人們的潛意識里門鎖就是用來保護室內(nèi)財產(chǎn)安全的。隨著人們生活水平的提高和社會安全意識的提高，人們的安全防范意識也在不斷的增強，當今社會科技越來越發(fā)達，人們對高科技服務于生活的要求也越來越高。但是運用高科技手段搶劫和盜竊的犯罪活動也層出不窮。人們渴望更可靠更安全的系統(tǒng)來保護自己的權(quán)益。本論文所講的該系統(tǒng)不需鋪設通訊線路，而且可靠性高、成本低、便于維護，尤其方便現(xiàn)在大多數(shù)的老社區(qū)和辦公樓的智能化改造。非接觸式I

7、C卡樓宇門禁管理系統(tǒng)是以非接觸式IC卡射頻識別技術(shù)為核心，讓用戶能夠方便和自主的使用為目的，具有高安全性、高可靠性的一種管理系統(tǒng)。在要使用IC卡時只需在讀卡器前面一劃就能輕松的識別用戶名而據(jù)此來判斷開門與否。相對于傳統(tǒng)的門鎖來說，傳統(tǒng)的門鎖需要鑰匙開門，然而鑰匙往往易丟失或者被人盜取，這樣我們的生活就會有很大的隱患。本文所介紹的非接觸式IC卡門禁管理系統(tǒng)就不存在這種問題，卡片不易被復制所以也就使得這種非接觸式IC卡門禁管理系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛地應用于樓宇自動化和很多重要區(qū)域。 1 樓宇門禁系統(tǒng)的介紹1.1 樓宇門禁的背景從古至今人們的潛意識里門鎖就是用來保護室內(nèi)財產(chǎn)安全的。隨著人們生活水平的提高和社會

8、安全意識的提高，人們的安全防范意識也不斷的增強，當今社會科技越來越發(fā)達，人們對高科技服務于生活的要求也越來越高。傳統(tǒng)的機械門鎖只是單純的機械裝置，無論結(jié)構(gòu)設計多么巧妙，材料多么堅固，然而人們卻總能通過各種手段把它打開。而且這種機械鎖都是通過一把鑰匙來開門，我們都知道鑰匙太多又會成累贅。這樣會讓我們的生活變得特別繁瑣，而且鑰匙的管理真的很麻煩，人員更換或者鑰匙丟失都要把鎖和鑰匙一起換掉。這樣不僅不方便我們的生活還給我們的生活帶來了無盡的煩惱。所以我們就以智慧來想辦法解決這些問題1。為了解決這些問題，就出現(xiàn)了電子密碼鎖和電子磁卡，雖然在一定程度上解決了傳統(tǒng)門鎖的不足，但是每一種東西都會有一定的缺陷

9、，隨著人們使用的增加，它們的缺陷也就逐漸顯露出來，電子密碼鎖的問題是密碼和容易被泄露，而且人們也很難查出怎能么泄露的。電子磁卡鎖的問題是信息很容易被復制，而且卡片與讀卡機具之間磨損又大，識別又不精確磨損又很厲害，這樣就很不安全。而且很容易被人在室外開鎖。隨著時間的推移近幾年出現(xiàn)了很多門禁系統(tǒng)，還有指紋識別系統(tǒng)、面部識別系統(tǒng)等等但是到現(xiàn)今最好用也是最實用的系統(tǒng)莫過于本文介紹的這種非接觸式的IC卡門管理禁系統(tǒng)。IC卡行業(yè)的發(fā)展始于1993年左右，當時我們國家建立了“金卡工程”，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了相當了不起的成就。我們已經(jīng)自主開發(fā)較大容量的儲存卡，但是對于本文要介紹的非接觸式的IC卡技術(shù)仍處于比較落后

10、的狀態(tài)，然而這種技術(shù)又是現(xiàn)在很多行業(yè)所需要的，所以為了加快非接觸式的IC卡的發(fā)展，我國不少科研院所參與到射頻卡的研究上來，尤其是中科院這個我們國家的高科技集中的院所更是作出了不朽的貢獻2。1.2 樓宇門禁系統(tǒng)的發(fā)展隨著社會的發(fā)展，人們對于防盜的要求也越來越高。傳統(tǒng)的門鎖僅僅是單純的機械組裝，然而開鎖的工具往往只需一把鑰匙。可是鑰匙卻很容易丟失和復制，為了解決這種煩人的問題于是就出現(xiàn)了電子磁卡鎖和電子密碼鎖。這就標志著門禁管理進入了信息時代。第一代門禁：鍵盤輸入密碼方式這種門禁優(yōu)點是簡單易操作缺點是會因忘記密碼而被拒之門外；第二代門禁：接觸卡式：磁碼卡：把瓷質(zhì)貼在塑料卡片上制成的，缺點是易消磨、

11、易磨損。鐵碼卡：卡片中間用特殊金屬線排列編碼，優(yōu)點是安全性能高，缺點是容易消磁。第三代門禁：非接觸式IC卡：采用半導體制造技術(shù)和信息安全技術(shù)，通過電子回路和感應線圈在讀卡器產(chǎn)生特殊的振蕩頻率，只要卡片進入了讀卡的范圍，感應電流就會使電子回路發(fā)射信號到讀卡器上面，收到的信號被讀卡器發(fā)送到控制器，遙控器經(jīng)過處理再把信息反饋回來。第四代門禁：生物識別系統(tǒng)：有指紋機、視網(wǎng)膜機和聲音辨別機和人臉辨別機。這些都是比較高級的出入口使用的控制系統(tǒng)，對于本論文所介紹的樓宇門禁系統(tǒng)來說沒有必要使用這種技術(shù)，從錢財?shù)耐度雭碚f不經(jīng)濟實惠，而且安裝也比較麻煩。而且這些識別系統(tǒng)還有缺點人生病會影響識別效果，甚至會無法識別

12、3。2 方案設計2.1 卡式門禁的選擇隨著生物識別技術(shù)，感應卡技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)也越來越成熟，隨著人們安全防范意識也不斷的增強，人們對于卡式門禁的選擇也有了的要求也加大了，下表是幾種卡的比較如下表2.11所示：表2.11 卡式比較性能磁卡接觸式IC卡非接觸式IC卡信息載體磁性物質(zhì)（磁條）EEPROMEEPROM信息量較小大大讀取方式電磁轉(zhuǎn)換電擦寫無線通信保密性一般好好識別速度低低很快讀取距離接觸接觸遠使用壽命短長很長成本低較高較高多標簽同時識別不能不能能從上表可以看出，非接觸式IC卡是當今卡式門禁系統(tǒng)當中最好的選擇。所以本論文選用的就是非接觸式IC卡的門禁管理系統(tǒng)。非接觸式IC卡是射頻識別技

13、術(shù)和IC卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是人類門禁史上的一次重大科研成果。2.2 門禁系統(tǒng)組成門禁系統(tǒng)的構(gòu)成是由讀寫器部分、中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊、中央控制電腦與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，如圖2.21所示：樓層PC1樓層PC n電磁門鎖n門禁讀卡器1門禁讀卡器n電磁門鎖1電磁門鎖n門禁讀卡器n門禁讀卡器1電磁門鎖1管理中心服務器局域網(wǎng) 圖2.21 樓宇門禁系統(tǒng)框圖3 硬件設計本論文采用Philips公司的非接觸式IC卡Mifare 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN為依據(jù)控制門的開關(guān)。硬件電路主要是由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、數(shù)據(jù)傳輸、中央控制、鍵盤、顯示器主控制

14、器AT89C52、門禁記錄與授權(quán)卡號存儲器、時鐘電路以及電磁門鎖等部分組成，其硬件框圖如圖31所示： 主控MCU單片機芯片（89C52）復位電路時鐘電路（DS1302）數(shù)據(jù)存儲電路傳輸模塊RS485中央控制電腦MCM500模塊天線液晶顯示鍵盤電鎖出門按鈕射頻卡圖3-1 門禁系統(tǒng)硬件框圖4 非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)的構(gòu)成非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)由非接觸式IC卡、讀卡器和PC管理機組成，此外還包括外部門禁設備如圖41所示： 圖41 系統(tǒng)基本組成框圖4.1 讀卡器門禁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件就是是讀卡器，它是由讀寫芯片、微處理器、射頻天線、串行通信接口、外圍擴展器件等幾部分組成的。接上串行口和+5V電源可以讀卡和

15、與計算機通信。讀卡器是用戶與卡片之間的橋梁，能夠處理來自身份的信息4。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4.11所示。本課題采用的讀卡器是針對Philips公司MIFARE產(chǎn)品設計的，能夠讀寫MIFARE列的非接觸式IC卡。R232通信通信接口電源蜂鳴器驅(qū)動天線耦合電路天線單片機MIFARE讀寫芯片圖4.11 非接觸式IC卡讀卡器結(jié)構(gòu)框圖4.2 IC卡4.2.1 IC卡的分類目前國際上還沒有統(tǒng)一的標準。但可供射頻卡使用的有ISO10536、ISO14443、ISO1593和ISO18000。而本設計采用的是ISO14443標準。按照應用領(lǐng)域來分：IC卡可以分為非金融卡和金融卡。按照卡與外界數(shù)據(jù)傳送的方式來分：

16、IC卡可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡，而本文主要是介紹非接觸式的IC卡。非接觸式IC卡又可分為：射頻加密式（RF ID）通常又稱之為ID卡 。射頻卡的信息存取是通過無線電波來完成的。主機和射頻間是沒有機械接觸點的，比如說HID、INDARA、EM之類的等等。大多數(shù)學校使用的飯卡（我們學校就是使用的飯卡）、門禁卡都屬于ID卡。射頻儲存卡（RF IC）通常又稱之為非接觸IC卡 。射頻儲存卡是通過無線電來存取信息，它是在存儲卡的基礎上增加了射頻的收發(fā)電路。比如說MIFARE ONE。一些城市很久前使用的公交卡、部分學校使用的飯卡都屬于射頻存儲卡5。 射頻CPU卡（RF CPU）通常又稱之為有源卡

17、，是在CPU卡的基礎上增加了射頻收發(fā)電路。CPU卡擁有自己的操作系統(tǒng)COS，這才稱得上是真正的智能卡。大城市的公交卡（成都市）、金融IC卡、極少數(shù)學校的飯卡都屬于射頻CPU卡。4.2.2 非接觸式IC卡的特點非接觸式IC卡通過讀寫方式與讀寫設備進行通訊，卡與讀卡器之間進行的是無線通訊，采用射頻技術(shù)只要在額定范圍內(nèi)使用都能識別信息，這樣就為我們的生活提供了更便捷的服務。不僅操作快捷而且抗干擾性高，其具體表現(xiàn)在在允許多張卡片同時使用，還具有高可靠性和高安全性，廠家在產(chǎn)品出廠前將特定的序列號固化于卡內(nèi)芯片中，使用卡時需要與讀卡器進行三次相互認證，并且所有數(shù)據(jù)都加密。4.2.3 非接觸式IC卡的功能組

18、成本課題采用的非接觸式IC卡是philips非接觸式IC卡的功能組成如圖4.2.31所示： 圖4.2.31 非接觸式IC卡的功能組成圖非接觸式IC卡又稱為射頻卡，是感應天線和IC芯片和組成的，芯片和天線是無任何裸露部分得。這項新技術(shù)是最近幾年才發(fā)展起來的，它是將IC卡技術(shù)和射頻識別技術(shù)結(jié)合起來的產(chǎn)物，徹底地結(jié)束了卡中無電源和非接觸這一歷史難題，這項技術(shù)是一項重大突破。更是為后來IT行業(yè)的發(fā)展奠定了一定的基礎。非接觸式IC卡要求卡片在讀寫器表面大約為5cm10cm范圍內(nèi)靠近，完成數(shù)據(jù)的讀寫操作就可以通過無線電波的傳遞來執(zhí)行6。4.2.4 IC卡的技術(shù)指標IC卡的技術(shù)指標如表4.2.41所示：圖4

19、.2.41 非接觸式IC卡的技術(shù)指標圖參數(shù)外形尺寸IS0標準卡85.5×54×0.76卡/異形卡存儲容量8Kbit,16個分區(qū)，每分區(qū)兩組密碼工作頻率13.56MHz通訊速率106KBoud讀寫距離2.510cm讀寫時間12ms工作溫度-2085擦寫壽命>100,000次數(shù)據(jù)保存>10年封裝材料PVC、ABS、PET、PETG、0.13mm銅線封裝工藝超聲波自動植線/自動碰焊執(zhí)行標準ISO 14443，ISO 10536功能支持一卡多用典型應用企業(yè)/校園一卡通、公交儲值卡、高速公路收費、停車場、小區(qū)/園區(qū)管理等4.2.5 非接觸式IC卡的優(yōu)點非接觸式IC卡與讀寫

20、器之間沒有機械的接觸，這樣就避免的類似于磁碼卡的問題。比如:由于不正確的插卡，而導致的不正確卡的外物插入，因為灰塵或者油污而導致接觸不良等等故障。除了這些,非接觸式卡表面沒有裸露芯片，不需要擔心芯片的脫落，靜電的擊穿，彎曲損壞等等問題，便于卡片的印刷，也提高了使用的可靠性7。非接觸通訊指的就是讀寫器在5cm10cm范圍之內(nèi)就能夠?qū)ㄆM行操作，所以不需要插撥卡，用戶就能輕易操作。使用時非接觸式IC卡片時可以在任意方向掃過讀寫器表面，既省時又省力還省心這樣就大大的為生活提供了方便。非接觸式卡的制造廠家在卡片出廠前已經(jīng)把序列設成唯一的，也就是說卡的序列號已經(jīng)在出廠前就已經(jīng)確定,所以不能夠更改。讀寫

21、器和IC卡之間采取的是雙向驗證，也就是說讀寫器驗證要驗證IC卡，IC卡也要驗證讀卡器。非接觸式卡在處理之前要與讀寫器進行認證而且得有三次認證，所有的數(shù)據(jù)在通訊過程中都要加密。此外，卡中中各個扇區(qū)都有特定的操作密碼和訪問條件。接觸式卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點使它能夠一卡多用，這樣就能運用于不同系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)不同的應用設定不同的密碼和訪問的條件。4.2.6 非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)主要技術(shù)自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)是最近幾年才發(fā)展起來的一項新技術(shù)，通過識別裝置和被識別物品之間接近活動從而自動的識別物品的相關(guān)信息然后提交給計算機來完成操作。它是信息數(shù)據(jù)自動識讀計算機和自動輸入計算機的重要方法和手段。自動識別

22、技術(shù)近幾年來得到了迅猛的發(fā)展，形成了一個包括IC卡技術(shù)、射頻技術(shù)、聲音識別技術(shù)等等完整的自動識別計算機管理系統(tǒng)還包括自動識別系統(tǒng)、應用程序接口、中間件、應用系統(tǒng)軟件。自動識別技術(shù)包括：條碼技術(shù)。光學字符識別。磁條卡技術(shù)。IC卡識別技術(shù)。聲音識別技術(shù)。視覺識別技術(shù)。射頻識別技術(shù)。5 讀寫芯片選用由于前面已經(jīng)選定Philips公司的Mifarel卡為本項目的射頻卡，所以射頻讀寫芯片也是選用的來自于Philips公司的芯片產(chǎn)品。MF RC530由于可以支持33V電源供電，相對于同類產(chǎn)品來說MFRC500的性價比更高，因此本論文決定選用的就是MFRC500射頻讀寫芯片。MF RC500是是一種低成本、

23、高集成、高性能的讀卡芯片，具有下列的特性：該芯片在13.56MHZ頻率下集成了非接觸式IC卡的通信方式和通信協(xié)議，支持ISOflEC。 該芯片提供了一個解調(diào)和解碼電路，而且是堅固有效的調(diào)節(jié)解碼電路。6 射頻接口電路6.1 射頻技術(shù)射頻技術(shù)（RF）是Radio Frequency的縮寫。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是射頻技術(shù)比較常見的應用,是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)。常常又被稱為感應式電子晶片或感應卡、非接觸卡、電子標簽、近接卡、電子條碼等。射頻是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或者電磁場）實現(xiàn)信息之間的傳遞并能夠

24、通過傳遞的信息來達到識別的目的。其原理是由掃描器發(fā)射一特定頻率之無線電波能量給接收器。 在射頻接口電路中，波形轉(zhuǎn)換模塊接收讀卡器上的1356MHZ的無線電調(diào)制頻率。 系統(tǒng)的主要參數(shù)要求如下：工作頻率：1356MHz通信頻率：106K波特率防沖突：同一時間可處理多張卡讀寫距離：在100mm(與天線形狀有關(guān))能方便、快速傳遞數(shù)據(jù)半雙工通信方式數(shù)據(jù)處理完整且安全典型處理時間小于200ms綜合分析了了各項指標。結(jié)合本門禁系統(tǒng)的需要。再考慮到成本、技術(shù)要求、保密性等等重要因數(shù)。本論文參考了所有的門禁系統(tǒng)最終確定了性價比較高的philips公司的mifarel卡，MF RC500讀寫芯片。因為這個芯片無論

25、是從技術(shù)上來講還是保密性來講都是性價比較高的。它的特征符合本門禁系統(tǒng)的各項要求8。7 數(shù)字電路部分認證模塊：選擇一張卡片，程序員在對卡片進行操作前須對卡片上已設的密碼進行認證，如果與原信息相符，那么就可以進行下一步的操作。而且必須得進行三遍認證，三遍認證的令牌原理框圖如圖71所示：(C)(E) 非接觸式IC卡讀寫器MIFARE 1卡片（A）RB(B)TOKEN AB(D)TOKEN BA 圖71 三次相互認證的令牌原理框圖8 軟件設計8.1 編程語言的選擇軟件是整個門禁控制系統(tǒng)的靈魂，相應的軟件編制對系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)起著決定性的作用。選擇合適的編程語言就是軟件編制的前提也是重中之重。對AT8

26、9C52單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)而言，所有的控制都是由單片機程序控制實現(xiàn)9。獨立式鍵盤是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下，這種方式的缺點是占用的I/O 口數(shù)較多。鍵盤的抖動問題是對鍵盤處理的時的一個重要的問題。獨立式鍵盤，如圖8.11所示：  圖8.11 獨立式鍵盤圖82 主程序設計軟件主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主要完成初始化，控制程序的流向，調(diào)用子程序等功能。其工作流程如圖8.21所示。上電復位后，程序開始運行10。首先是初始化的工作。 圖8.21 工作流程圖 8.3 MF RC500應用子程序設計8.3.1 AT89C52對MF RC500的初始化寫4

27、1H到寄存器RxControl2： 譯碼源來自內(nèi)部寫5BH到寄存器TxControl： 使能TXl和TX2腳，設置調(diào)制源來自內(nèi)部寫ADH到寄存器BitPhase： 設置天線的位相值寫OOH到寄存器MfOutSelect： 設MFOUT引腳為低電平8.3.2 AT89C52對MF RC500的操作AT89C52是通過對MF RC500的控制來實現(xiàn)對Mi fare l卡的讀寫操作，所以在軟件上我們首先要設計好AT89C52對MF RC500的控制，主要有以下三方面：(1)設置MF RC500的狀態(tài)：(2)通過讀MF RC500的狀態(tài)標志來監(jiān)視MF RC500的工作情況；(3)發(fā)送命令，要求MF RC500執(zhí)行相應的動作。9 結(jié)束語經(jīng)過兩個月的努力，基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)設計論文終于完成了。在設計的過程中出現(xiàn)了很多難題，但幸好得到了老師的幫助順利解決了我的難題。寫論文之初我對IC卡只有一個模糊的概念，只是單純的知道我們學校的飯卡就是IC卡。除此之外，對IC卡的概念就是看的那些電影了，不過也僅僅知道怎么使用，具體理論還是不清楚。因為現(xiàn)在是大三，各方面事情都比較多所以這次論文的時間雖還是多但是寫論文和查資料還是顯得有些倉促，做得很不完善，在設計過程中由于對程序不是很了解所以做起