赵子罡 - 基于RFID射频识别技术的小型门禁系统设计

编号：

哈尔滨工业大学

大一年度项目结题报告

项目名称：基于RFID射频识别的小型门禁系统设计

项目负责人：赵子罡学号：1120610431

联系电话：182******** 电子邮箱：zzg_163_best@https://www.wendangku.net/doc/4c15155686.html,

院系及专业：电气工程及自动化学院电气工程及其自动化专业

指导教师：李琰职称：高级工程师

联系电话：186******** 电子邮箱：tenlon@https://www.wendangku.net/doc/4c15155686.html,

院系及专业：电气工程及自动化学院电气工程及其自动化专业

哈尔滨工业大学基础学部制表

填表日期：2013年6月9日

一、项目团队成员

姓名性别所在院学号身份证号本人签字赵子罡男电气工程及自动化学院1120610431 632124************

李雨琪女电气工程及自动化学院1120610411 230103************

张达男电气工程及自动化学院1120610417 230805************

王翌霖男电气工程及自动化学院1120610424 412801************

二、指导教师意见

签名：

年月日

三、项目专家组意见

组长签名：（学部盖章）

年月日四、项目成果

序号名称说明

五、项目研究结题报告

基于RFID射频识别的小型门禁系统设计

电气工程及自动化学院赵子罡王翌霖张达李雨琪

指导教师李琰高级工程师

摘要：智能门禁系统的使用在国内还处于发展时期，因此对关于门禁系统的理论与实践进行研究就非常重要，从小型分立式到大型网络化的过渡不失为一条好路子。课题组提出了一种基于RFID射频识别的小型门禁系统设计方案，该方案结合了RFID射频卡使用简单、维护方便及单片机体积小、功耗低、可编程的特点，以一道门单向使用的小型门禁系统为例，论证RFID和单片机的配合使用确实可以使门禁系统尽可能小型化和集成化，达到灵活的可配置性和较高的安全性的协调统一，并基于当前已有研究基础，结合本项目所得成果，对本领域今后研究方向提出参考性意见。

关键词：RFID；射频识别；单片机；门禁

（一）引言

智能门禁系统是对楼宇重要通道进行管理的装置。在楼门口、电梯等处安装控制装置，例如:读卡器、指纹读取器、密码键盘等，住户要想进入，必须有卡或输入正确的密码，或按专用手指才能获准通过。门禁系统可有效管理门的开启与关闭，保证授权人员自由出入，限制未授权人员进入[1]。目前，门禁系统的控制手段主要有:指纹识别、人脸识别、虹膜识别、密码/口令和射频卡等。前3种方式都属于生物识别技术，是以人体某部分的特征为识别载体和手段，其唯一性和不可复制性决定了其是最安全的身份验证方法，但其价格昂贵，难以普及，且涉及到个人隐私，只适用于高端和绝对机密的场所。射频卡是无线射频技术和智能卡技术相结合的产物，其具有使用简单、维护方便等特点，适用于大部分应用场景。

在亚洲和中国，门禁系统分别处于成长期和初始阶段。人们对门禁系统的了解还只停留在认识教育和试用阶段。在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，但生产IC卡和读卡器的关键技术则被欧美国家和部分亚洲国家所垄断，并且真正形成大批量生产的厂家还只有美国;德国、英国次之;日本、台湾、新加坡处于同一档次;中国正处在起步跟进的阶段。智能门禁系统的使用在国内还处于发展时期，因此对关于门禁系统的理论进行研究就非常重要[2]。

基于一件日常琐事（宿舍同学外出只顾带手机而忘带钥匙）引发的思考，本项目以一道门单向使用的小型门禁系统为例，论证RFID和单片机的配合使用确实可以使门禁系统尽可能小型化和集成化，达到灵活的可配置性和较高的安全性的协调统一。

（二）项目研究内容及实施方案

本项目中的小型门禁控制系统是采用现代电子与信息技术控制建筑物内较小区域的出/

入，对人(或物)的进/出，实行放、行、拒绝、记录和报警等操作的一种电子自动化系统。门禁系统通过在建筑物内的主要管理区的重要部位的通道口安装门磁，电控锁或控制器，读卡器等控制装置，能够对各通道口的位置，通行对象及通行时间，方向进行实时控制或设定程序控制，从而实现对出/入口的安全控制。

1.项目内容

1)系统总体方框图：（图表1）

图表1 系统架构图

2）控制部分：工作状态下RFID 读卡器每秒检测一次，当检测到读卡范围内有可识别标签时，自动使用预置加密方案读取卡内信息并通过SPI 总线接口上传至控制核心，同时停止读卡，直到该卡离开读卡区域，重新开始寻卡；系统接收到识别请求后，由控制核心向储存器发出命令，逐条查询比对系统内已存入数据库User 表的身份信息，若存在匹配项，则向机械门锁发出解锁指令，同时读卡器上LED 常亮（提示在延时期内开门）；若无匹配项，仅使读卡器上LED 红色闪烁两次（提示卡无效）。至此一次工作流程结束。（参见下页图表2）

3）门锁部分：锁控部分为市场上较常见的电控灵性锁，DC12V 驱动，开锁电流250mA ，维持电流38mA ，自带开/闭锁提示与锁位及门位检测。

4）软件部分：编写基于C 语言的管理软件。该软件应具有以下功能：提取和分析下位机日志，数据库统计与管理，数据的简单分析。

开始系统初始化读卡器初始化

寻卡

有卡在作用区？

防碰撞

选定卡读卡ID

通过验证？

开门并记录

报警提示离

去并记录

是

否

是

否

图表 2 开锁流程

RFID 标签

（钥匙链，射频卡，手机后壳等）

读/写卡

器 双色LED 指

控制核心 基于单片机

供电，数

控制器 处理器

储存器 UPS 电源（接220V 市电）

供电

机械锁

供电，控总线/接

5）用户管理：在工作状态下，按下管理按钮（K1），LED 常亮，说明主机进入管理模式，此时，读卡器工作，获得卡片信息时，则主机开始在数据库User 表中检索该卡ID ：如无匹配项，LED 快速闪烁1秒，提示此卡未标记，此时按下标记按钮（K2），主机将该卡ID 存入数据库User 表；若存在匹配项，则主机控制锁动作，此时要对该卡解除授权，按下删除按钮（K3），主机将该卡ID 从数据库User 表中删除，LED 快速闪烁1秒。增删操作完成后，新的User 表将以覆写方式同步到SD 卡的文件中以上操作均可在LED 常亮即管理模式激活时重复进行，要退出管理模式，在LED 常亮时，按下管理按钮（K1），LED 熄灭即表示主机回到正常工作状态。（参见图表3）

开始

程序初始化

读卡

User 表中存在？锁动作LED 闪是

否

LED 常亮从User 表中删除

新增至User 表

用户按K3

用户按K1用户按K2

同步到SD 卡LED 闪1秒回工作状态

结束

图表3 用户管理

6）节能设置：控制核心在正常状态下结束一次工作流程，若15秒以上未收到任何请求，则自动进入空闲模式，此时将停止CPU 的工作，但允许RAM ，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

7）数据管理：单片机内含User 数据区，User 数据用于用户授权，储存在MSP430F149内建的Flash 中，并在SD 卡中另存。

2.实施方案：

1）通过调查研究，根据实际应用需求，提出了具体的门禁系统设计方案和上位机所具备的主要功能:电子钥匙。管理人员能够利用门禁系统随时设置人员的权限，直接控制了人员的非法进入。

2）根据实际实验场地条件，电源部分采用市电电源适配器配以智能省电的设计，电控锁部分使用市售电控灵性锁，以便意外断电或系统故障时可用钥匙开锁.。电子钥匙使用物流版不干胶式RFID 标签，可粘贴于手机等随身物品上，或直接对学生卡授权，可提高便利性。

3）射频读卡器的设计可分为硬件部分和软件部分。硬件部分采用模块化的设计思想，以主控模块MSP430F149为核心，结合读写芯片MFRC522及USB 接口电路，设计读/发卡器的硬件电路，实现对射频卡的控制与中心控制机之间的互通。系统采用C 语言进行系统的下位机程序的开发，完成了读/写卡模块与IC 卡之间的通信，实现数据交换功能。

3.分工情况

赵子罡：系统总成，统筹规划及文案工作，软件程序编写；

李雨琪：软硬件及研究材料的购置，文案工作；

张达：单片机的设置与安装；

王翌霖：电控机械锁的设置与调试，软件程序编写。

（三）项目学习研究成果

经过前期各组员的认真学习，完成了对单片机MSP430F149配套开发板KB-1B及RC522射频读卡模块的安装与调试，熟悉了其配套开发环境IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 V3.24A，学会了相关的BSL程序下载器及串口调试软件。截至中检时，小组完成了初期实验性展示用程序的编写，该程序可读取RFID卡的卡号，并进行识别，给出授权与否的判断，并回显至PC端，同时向与电控锁相连的I/O口发出开锁指令。

附：调试截图

以授权用户ID：52e4a0cd为例，图表4 为审核通过状态PC回显截图，图表5为其他卡审核失败的PC回显截图

图表4 审核通过图表5 审核失败

后期学习中小组成员改变思路，在预期设计的基础上，结合授权人数为4-6人的应用实景，将授权表以纯C形式融入核心代码，精简了内部程序，使单片机运行效率提升，并有效降低了功耗。可通过数字序号快速管理用户，而无需读用户卡，管理模式新增管理卡认证，有效提高安全性。增加以上功能后，系统设计更完整，，增强了实景应用可行性。

（四）项目创新点

1、利用RFID识别技术通用性强的特点，可对现有介质（如学生卡、一卡通等）直接授权，使用方便；

2、单片机为Flash型存储，程序可自由定制，随时烧录，快速适应不同应用场景；

3、各功能模块分体式设计，配置灵活，易于维护。

（五）经费使用情况（图表6）

图表 6 经费使用情况

序号名称型号单价（元）数量总额（元）使用说明

1 集成开发板msp430f149 188.00 1 188.00 控制核心

2 RFID读写模块MFRC 522 50.00 1 50.00 识别模块

3 RFID标签UCODE G2XM 1.20

4 4.80 识别标签

4 电控灵性锁H206 108.00 1 108.00 -

5 电源适配器- 10 2 20.00 12V,5V各一只

6 材料费- - - 20.00 机盒、导线等

7 打印费- 0.20 80 16.00 文书材料

总计- - - 406.80

参考文献

[1] 张洁. 基于RFID技术的智能门禁系统设计. 河北科技大学, 2010-3: 86-91.Ⅰ

[2] 董庆贺,钟震林. 基于RFID的门禁管理系统设计与实现. 桂林电子科技大学学报, 2010-6: 227

[3] 何军基于RFID的开发式门禁系统的设计与实现电子科技大学2010

[4] 周学叶，单承赣基于RFID的门禁系统设计安防科技2009-1:19-21

[5] 感应式IC卡门禁系统工作原理，摘自北海中网的blog https://www.wendangku.net/doc/4c15155686.html,/bhblog/u/midnets/

[6] 张艳艳基于RFID技术的门禁系统设计国外电子测量技术2010-10:72-59

[7] 刘新跃基于RFID的智能门禁系统设计成都大学学报（自然科学版）2012-03:261-263