基于MIFARE技術(shù)的智能化RFID門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程系 陳華莉

富士康科技集團(tuán)IE學(xué)院 王天兵

北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)有限公司 王繼剛

基于MIFARE技術(shù)的智能化RFID門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院汽車工程系 陳華莉

富士康科技集團(tuán)IE學(xué)院 王天兵

北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)有限公司 王繼剛

針對(duì)校園人流量大，安全性要求高的特點(diǎn)，論文采用MIFARE非接觸式IC卡讀寫技術(shù)，設(shè)計(jì)一套科學(xué)高效的RFID智能化門禁管理系統(tǒng)。系統(tǒng)遵循ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，支持13.56MHz的電子標(biāo)簽，具有射頻驅(qū)動(dòng)及接收功能；通過數(shù)據(jù)庫(kù)方式管理信息，既能實(shí)時(shí)快捷采集處理信息、管理監(jiān)控門禁系統(tǒng)，又能準(zhǔn)確追溯調(diào)用信息，具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。

門禁系統(tǒng)，RFID，MIFARE

1.引言

作為學(xué)生生活學(xué)習(xí)的場(chǎng)所，校園有其特別之處：建筑場(chǎng)所多、學(xué)生多，每年還不斷動(dòng)態(tài)進(jìn)出。對(duì)此，如何對(duì)學(xué)生出入宿舍、圖書館、教學(xué)樓等建筑場(chǎng)所進(jìn)行安全高效的管理就顯得十分的重要。

2.RFID校園門禁管理系統(tǒng)及組成

（1）校園門禁管理系統(tǒng)

校園門禁系統(tǒng)主要功能包含：對(duì)校園各樓宇、宿舍等的進(jìn)出權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，對(duì)進(jìn)出人員、出入時(shí)間、出入記錄等進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，方便查詢、考勤及追溯等管理和控制；同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有自動(dòng)感應(yīng)識(shí)別、快速防沖突功能。

（2）基于MIFARE技術(shù)的RFID門禁系統(tǒng)

由于條碼卡、磁卡、接觸式IC卡等卡或防偽能力差，或容易磨損、讀卡速度慢、受使用環(huán)境限制等存在諸多缺點(diǎn)，校園人流量大，選擇非接觸式IC卡（射頻卡）系統(tǒng)，具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)，它采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，與IC卡技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，具有安全性好、可靠性高，使用方便快捷的特點(diǎn)。

RFID工作頻段有低頻、高頻、超高頻及微波等，其中低頻和高頻技術(shù)成熟，識(shí)別范圍寬而距離近，卡成本較低。目前具有代表性的技術(shù)主要有Philips的 MIFARE技術(shù)和 KABA的 LEGIC技術(shù)，其中MIFARE技術(shù)采用高頻段的13.56MHZ近距離非接觸式IC卡通訊頻率標(biāo)準(zhǔn)，并采用開放式體系結(jié)構(gòu)，兼容性好，已經(jīng)被制定為ISO/IEC 14443A國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)校園門禁應(yīng)用而言，因僅需近距離讀取，考慮綜合性價(jià)比等多種因素，本系統(tǒng)采用基于MIFARE技術(shù)的非接觸式IC卡（即MIFARE卡）系統(tǒng)。

圖1 校園門禁管理系統(tǒng)的組成框圖

（3）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包含非接觸式IC卡（即射頻標(biāo)簽）、閱讀器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理管理系統(tǒng)幾個(gè)部分，其中，射頻標(biāo)簽作為被識(shí)別對(duì)象載有標(biāo)識(shí)性數(shù)據(jù)信息，當(dāng)它進(jìn)入閱讀器的識(shí)別區(qū)域，與閱讀器進(jìn)行信息交換，閱讀器接收標(biāo)簽信息向計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行傳送識(shí)別處理，并對(duì)門鎖執(zhí)行相應(yīng)的控制操作；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接收閱讀器發(fā)送的信息，并對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理。

除上述主要部分外，系統(tǒng)還包含門鎖開關(guān)、發(fā)卡器等設(shè)備。它們之間的關(guān)系如圖1所示，虛線框是閱讀器。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）閱讀器與射頻標(biāo)簽

閱讀器與射頻標(biāo)簽（MIFARE卡）的設(shè)計(jì)包含了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

①閱讀器執(zhí)行控制器MCU指令，既對(duì)射頻標(biāo)簽發(fā)射或接收信號(hào)，又與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理管理系統(tǒng)通信，對(duì)信息進(jìn)行傳送或處理，它包含天線、射頻讀寫模塊、MCU及通信模塊等，如圖1虛線框所示。

為了增加可靠性、提高抗干擾能力，閱讀器采用模塊化設(shè)計(jì)方法，其核心部分是控制器MCU和射頻讀寫模塊，主要用STC-12C5A60S2與ICM522結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其中STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，比傳統(tǒng)51快8～12倍，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)、2路PWM，可在電機(jī)控制、干擾較大的場(chǎng)合中應(yīng)用，而且具有兩個(gè)串口，在本設(shè)計(jì)中用作控制單元MCU，因需要與讀寫模塊與管理主機(jī)兩者通訊，因此其雙串口滿足需要。控制單元MCU主要實(shí)現(xiàn)如下功能：a控制讀寫模塊完成對(duì)射頻標(biāo)簽的讀寫操作；b通過通信模塊與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通信，內(nèi)容包含計(jì)算機(jī)發(fā)下的控制命令、門鎖的狀態(tài)和記錄信息等；c對(duì)門鎖進(jìn)行控制。

圖2 UART接口協(xié)議時(shí)序

ICM522是內(nèi)嵌NXP高集成讀寫芯片RC522的射頻讀寫模塊，將RC522作為射頻基站，支持ISO1443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)，采用13.56MHZ非接觸射頻技術(shù)，在STC12C5A60S2指令控制下，產(chǎn)生射頻信號(hào)，激活進(jìn)入有效范圍的射頻標(biāo)簽，為其提供工作能量，調(diào)制發(fā)射信號(hào)用于發(fā)射、接收并解調(diào)收到的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻標(biāo)簽的操作。ICM522由深圳博裕納科技有限公司開發(fā)，它與STC-12C5A60S2之間通過UART相連，UART接口協(xié)議時(shí)序如圖2所示。

命令格式以設(shè)置關(guān)閉自動(dòng)尋卡打開天線為例，如表1所示：

表1 設(shè)置關(guān)閉自動(dòng)尋卡打開天線的命令格式

②射頻標(biāo)簽由天線和標(biāo)簽專用芯片ASIC組成，ASIC集成了控制單元、存儲(chǔ)單元及射頻接口。射頻標(biāo)簽作為MIFARE卡（下稱M1卡），由于工作于無源被動(dòng)方式，其能量來自于閱讀器，閱讀器向卡發(fā)射一組電磁波，使卡內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，通過電子泵，使電容積累足夠電荷達(dá)到2V，從而為卡提供工作電源。本系統(tǒng)采用S50的M1卡，其存儲(chǔ)單元包含16個(gè)扇區(qū)，各含4個(gè)存儲(chǔ)塊，共64個(gè)存儲(chǔ)塊，對(duì)應(yīng)0～63的地址，其中，第0地址固化有全球唯一ID號(hào)，存儲(chǔ)塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存貯數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制、密碼B。每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的密碼保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)更靈活的控制操作。由于系統(tǒng)針對(duì)校園應(yīng)用，學(xué)生持有，因此對(duì)每張卡進(jìn)行加密處理，只有本系統(tǒng)的卡才能識(shí)別，大大提高了安全性。

③閱讀器與M1卡之間通過射頻方式在MCU的控制下進(jìn)行通信，當(dāng)M1卡進(jìn)入閱讀器識(shí)別區(qū)時(shí)，閱讀器對(duì)卡進(jìn)行卡型驗(yàn)證，判斷其合法性，通過防沖突機(jī)制，對(duì)被選中的卡，返回其序列號(hào)及容量代碼，確定扇區(qū)后，進(jìn)行密碼效驗(yàn)，經(jīng)過三次雙向身份驗(yàn)證即可按加密流進(jìn)行通信，流程如圖3所示：

④防沖突原理：當(dāng)有效識(shí)別區(qū)同時(shí)有多張卡進(jìn)入時(shí)，將發(fā)生沖突，所有卡都對(duì)閱讀器的尋卡產(chǎn)生應(yīng)答，向閱讀器返回各自序列號(hào)，閱讀器根據(jù)防沖突機(jī)制選擇其中一張卡用于激活與閱讀器交換數(shù)據(jù)，其他卡處于空閑等待狀態(tài)，被選卡操作完后重復(fù)上述過程，讓剩下的卡逐一被選中激活進(jìn)行操作。

（2）計(jì)算機(jī)主機(jī)管理系統(tǒng)

閱讀器采集的M1卡身份信息，通過串口通信模塊發(fā)送給計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理，主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的身份信息對(duì)比，匹配成功，就對(duì)信息進(jìn)行記錄；主機(jī)管理系統(tǒng)還具有權(quán)限管理設(shè)置、持卡人信息管理、查詢、追溯、新卡注冊(cè)、初始化、寫入持卡人信息等功能，主要由通信處理模塊、RFID卡管理模塊、控制單元管理模塊、權(quán)限管理模塊等組成。通過數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)操作和共享，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔，操作方便直觀。

主機(jī)與閱讀器采用RS485總線方式連接，如圖4所示。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，其結(jié)構(gòu)成本低、可靠性高、節(jié)點(diǎn)接入方便、輕載時(shí)延時(shí)小。MCU與主機(jī)及讀寫模塊之間的通信流程如圖5所示，虛框內(nèi)是閱讀器。

圖5 MCU與主機(jī)及讀寫模塊之間的通信流程

4.結(jié)論

將非接觸式Mifare卡應(yīng)用于校園門禁管理系統(tǒng)中，經(jīng)測(cè)試，響應(yīng)速度快、操作方便、可靠性高；系統(tǒng)組網(wǎng)采用RS485總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)镽S485標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，設(shè)計(jì)改進(jìn)后可增加到64個(gè)、128個(gè)或更多，所以能對(duì)較大范圍內(nèi)的若干宿舍或樓宇進(jìn)行控制，以滿足校園管理需求；系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，在數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)，安全有效、正確無誤，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和門禁控制，高效靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，稍加改動(dòng)，可以應(yīng)用在停車場(chǎng)、物業(yè)管理、酒店管理、企業(yè)人員管理、考勤等等，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1]《基于RC500的射頻非接觸式智能卡節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》.

[2] 基于智能卡的實(shí)時(shí)監(jiān)控考勤系統(tǒng)》.

[3]《一種基于Mifare卡的射頻讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》.

陳華莉（1968－），女，重慶人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電路與系統(tǒng)。