周金芝，楊　明

(亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

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基于單片機(jī)和射頻識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)*1

周金芝，楊明

(亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

摘要:針對(duì)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、辦公樓等機(jī)要部門的管理，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)STC89C52和IC射頻卡的門禁系統(tǒng).系統(tǒng)由兩部分組成，安裝在門上的客戶端和對(duì)新卡進(jìn)行授權(quán)信息寫入的授權(quán)端.在客戶端，當(dāng)用戶需要開門的時(shí)候，把IC卡放入感應(yīng)區(qū)進(jìn)行感應(yīng)，如果信息驗(yàn)證成功，則在蜂鳴器“嘀”一聲的同時(shí)，門鎖打開，一秒后重新上鎖；如果信息驗(yàn)證失敗，蜂鳴器會(huì)連續(xù)四聲短促的鳴叫.系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有較高的安全性、穩(wěn)定性，方便實(shí)用.

關(guān)鍵詞:STC89C52單片機(jī)；射頻識(shí)別技術(shù)；MFRC522；門禁系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機(jī)械式鎖具，鑰匙易于復(fù)制，用于辦公樓、實(shí)驗(yàn)室等門禁系統(tǒng)中，安全性較低；鍵盤電子式的鎖具[1]通常采用固定式的鍵盤，導(dǎo)致用戶使用起來(lái)缺乏隱蔽性；接觸式的刷卡認(rèn)證方式，要求近距離操作，當(dāng)使用者的雙手被占用時(shí)就極不方便，且容易遺失、復(fù)制和被盜用，成本也較高.基于IC射頻卡的射頻識(shí)別鎖系統(tǒng)以非接觸式的IC卡作為感應(yīng)卡，通過(guò)授權(quán)對(duì)人員的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置和明確限定，能夠主動(dòng)識(shí)別非法入侵信息，通過(guò)信息驗(yàn)證來(lái)確定用戶的身份是否合法，從而決定是否開鎖.射頻卡門禁系統(tǒng)可以更好地與安防系統(tǒng)融合，從而更好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，給人們的生活帶來(lái)安全保證[2].基于單片機(jī)和射頻識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)是基于單片機(jī)STC89C52和IC射頻卡設(shè)計(jì)的射頻識(shí)別鎖系統(tǒng)，可用于實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、辦公樓、檔案室、財(cái)務(wù)室等安全性要求較高的場(chǎng)所.

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

此門禁系統(tǒng)由安裝在門上的客戶端和對(duì)新卡進(jìn)行授權(quán)寫入的授權(quán)端兩部分組成.客戶端由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、串行通信模塊、刷卡模塊、蜂鳴器模塊和電磁鎖模塊組成，如圖1.在客戶端，當(dāng)用戶需要開門的時(shí)候，需要把IC射頻卡放在讀卡器的感應(yīng)區(qū)對(duì)卡內(nèi)信息進(jìn)行讀取，當(dāng)讀取出來(lái)的信息驗(yàn)證成功時(shí)，則在蜂鳴器“嘀”一聲的同時(shí)，門鎖打開，延遲一秒后重新上鎖；若信息驗(yàn)證失敗，則蜂鳴器會(huì)發(fā)出四聲連續(xù)短促的鳴叫.授權(quán)端用于對(duì)每一張IC卡進(jìn)行授權(quán)信息寫入.整個(gè)系統(tǒng)使用單臺(tái)刷卡機(jī)就能工作，操作方便[2].

圖1　硬件系統(tǒng)模塊框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊的作用為整個(gè)系統(tǒng)供電.在系統(tǒng)中，刷卡模塊要用到3.3V的供電電壓，電磁鎖模塊需要用12V的電壓，而單片機(jī)最小系統(tǒng)部分則需要用到

5V的電壓，因此，電源模塊需要提供的電源種類有12V、5V和3.3V三種.該模塊通過(guò)LM7805和AMS1117兩個(gè)芯片分別實(shí)現(xiàn)12V向5V和5V向3.3V電壓的轉(zhuǎn)換.如圖2為系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計(jì).

圖2　電源模塊電路

2.2刷卡模塊電路設(shè)計(jì)

射頻讀寫芯片MFRC522是NXP推出的一款低功耗、封裝小、高度集成的非接觸式(13.56MHz)讀寫卡芯片，它利用調(diào)制和解調(diào)的原理，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議.支持ISO14443A的多層應(yīng)用.其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動(dòng)讀寫器天線與ISO14443A/MIFARE卡和應(yīng)答機(jī)的通信，無(wú)需其他的電路.接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào).數(shù)字電路部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)(奇偶&CRC).此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品.MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424kbit/s[3-4].它與主機(jī)間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)用戶的不同需求，選取SPI、I2C或串行UART(類似RS232)模式之一，有利于減少電路連接，縮小電路板體積，降低生產(chǎn)成本.

讀卡模塊與卡間的數(shù)據(jù)傳遞(通訊)是通過(guò)與MFRC522連接的天線和IC卡線圈產(chǎn)生共振來(lái)實(shí)現(xiàn)的.MFRC522以寄存器的設(shè)置為依據(jù)調(diào)制發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)而得到發(fā)送信號(hào)，以電磁波的形式進(jìn)行發(fā)送，該電磁波是由引腳TX1、TX2驅(qū)動(dòng)天線產(chǎn)生的.IC卡通過(guò)RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制來(lái)響應(yīng)[5].與此同時(shí)，天線在檢測(cè)到IC卡的響應(yīng)后，將響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配傳送到RX引腳，由MFRC522內(nèi)部接收緩沖器檢測(cè)、解調(diào)信號(hào)，再根據(jù)寄存器的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)處理后將其數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī).

當(dāng)有卡片處在讀卡器的感應(yīng)區(qū)時(shí)，MCU向卡片發(fā)出尋卡命令，卡片回復(fù)其類型，讀卡器與卡片的第一步聯(lián)系得以建立.如果在天線的工作范圍內(nèi)同時(shí)存在多張卡片，讀卡器就會(huì)啟動(dòng)防沖撞機(jī)制，根據(jù)卡片序列號(hào)從中選定一張卡片，對(duì)其密碼進(jìn)行校驗(yàn)，以確保卡片的合法性和操作權(quán)限.未被選中的卡片仍處于閑置狀態(tài)，等待下一次尋卡命令的到來(lái).密碼驗(yàn)證通過(guò)后，就可以對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀寫等操作[6].MFRC522在刷卡模塊中的應(yīng)用電路如圖3.

圖3　刷卡模塊電路

2.3蜂鳴器模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶刷卡時(shí)，如果信息驗(yàn)證成功，則單片機(jī)的P2.0引腳被賦予低電平(軟件設(shè)置)，三極管Q2(PNP型)導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出一聲蜂鳴.當(dāng)信息驗(yàn)證不成功，蜂鳴器發(fā)出四聲連續(xù)短促的鳴叫.該模塊電路設(shè)計(jì)如圖4.

圖4　蜂鳴器模塊電路

2.4電磁鎖模塊電路設(shè)計(jì)

用戶刷卡時(shí)，若信息驗(yàn)證成功，則系統(tǒng)賦予單片機(jī)P2.5引腳一個(gè)低電平，此時(shí)三極管Q1(PNP型)導(dǎo)通，繼電器通電產(chǎn)生磁性吸合銜鐵，使得動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸，從而高壓工作電路接通工作，電磁鎖打開；斷電時(shí)，繼電器的電磁鐵失去磁性，對(duì)銜鐵失去吸引力，從而動(dòng)靜觸點(diǎn)分開，工作電路斷開，重新上鎖.該模塊電路如圖5.其中的二極管D2起到續(xù)流的作用.

圖5　電磁鎖模塊電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1客戶端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先對(duì)MFRC522射頻讀卡器進(jìn)行初始化，延遲一定的時(shí)間等待天線穩(wěn)定，接著進(jìn)行尋卡、防碰撞、選卡、讀卡、授權(quán)信息驗(yàn)證操作.若授權(quán)信息驗(yàn)證成功，則門鎖打開，延遲一秒后，重新上鎖；若授權(quán)信息驗(yàn)證失敗，則報(bào)警提示.圖6為客戶端軟件流程圖.

圖6　客戶端軟件流程圖

3.2授權(quán)端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用授權(quán)端對(duì)新卡的授權(quán)信息進(jìn)行寫入.工作流程為系統(tǒng)初始化、發(fā)送系統(tǒng)初始化信息、系統(tǒng)啟動(dòng)提示、打開串口接收、等待權(quán)限寫入狀態(tài)標(biāo)記、權(quán)限寫入初始化設(shè)置、授權(quán)信息寫入、寫入失敗則進(jìn)行報(bào)警提示，如圖7.

圖7　MFRC522授權(quán)信息寫入流程

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中設(shè)置了三個(gè)電磁鎖，分別代表公司大門、銷售部和財(cái)務(wù)部.授權(quán)端分別對(duì)三張IC卡進(jìn)行了授權(quán)，一張卡的授權(quán)為開三門，一張卡授權(quán)開公司大門和銷售部?jī)砷T，還有一張卡授權(quán)開公司大門和財(cái)務(wù)部?jī)砷T.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)操作方便，穩(wěn)定實(shí)用.系統(tǒng)測(cè)試如圖8.

圖8　系統(tǒng)測(cè)試圖

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式、固定鍵盤式密碼鎖、接觸式刷卡等門禁系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)和射頻識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng).系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以STC89C52單片機(jī)作為控制核心，外圍由讀卡模塊、顯示模塊、電磁鎖模塊和蜂鳴器模塊組成.采用非接觸式IC卡刷卡進(jìn)門，具有身份識(shí)別、自動(dòng)開關(guān)門及報(bào)警提示等功能.與接觸式智能卡相比，非接觸式IC卡是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，具有使用壽命長(zhǎng)，存儲(chǔ)容量大，應(yīng)用范圍廣，操作方便快捷，安全可靠等優(yōu)點(diǎn).同時(shí)它還克服了接觸式IC卡讀寫故障率高，因觸點(diǎn)外露而導(dǎo)致的污染、磨損、靜電，以及插卡不便、易受惡意攻擊等問(wèn)題，是當(dāng)前較為流行、易于被大眾接受的卡型.與先進(jìn)的基于生物識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)相比，基于射頻識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)成本低、識(shí)別率高，對(duì)環(huán)境和使用者的要求也比較低；且整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，可用于實(shí)驗(yàn)室、辦公樓等的安防系統(tǒng)中.

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(責(zé)任編輯:王前)

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.04.001

*收稿日期：2015-10-25

基金項(xiàng)目：亳州市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”；亳州師范高等?？茖W(xué)校2013校級(jí)質(zhì)量工程立項(xiàng)項(xiàng)目“物電實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心”

作者簡(jiǎn)介：周金芝，女，安徽碭山人，講師.

中圖分類號(hào)：TP33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-7974(2016)02-0001-03