基于RFID技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鋒

摘 要： 根據(jù)門禁管理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，基于RFID技術(shù)，本文研究了簡單的門禁控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用STC89C52單片機(jī)為核心。由S50非接觸式IC卡及MFRC522讀寫模塊或4×4矩陣鍵盤來構(gòu)成識(shí)別、驗(yàn)證終端 LCD12864顯示模塊構(gòu)成顯示終端，門禁執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊組成。通過對該控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，其性能可靠，工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)總體要求。

關(guān)鍵詞： RFID ；STC89C52；IC卡；MFRC522

Abstract：According to the current situation and development trend of entrance guard management based on RFID technology this paper studies a simple entrance control system. The hardware platform of the system is based on STC89C52 MCU. The identification and verification terminal is made up of S50 contactless IC card its read and write module MFRC522 or 4×4 matrix keyboard. The LCD12864 display module constitutes the display terminal and the access control execution mechanism is composed of stepping motor and its driving module. Through the laboratory debugging of the control system its performance is reliable the work is stable and the overall design requirements are satisfied.

Key words： RFID；STC89C52；IC card；MFRC522

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，有關(guān)個(gè)人財(cái)產(chǎn)和人身安全的防護(hù)重要性已經(jīng)獲得了全社會(huì)的普遍高度認(rèn)知與關(guān)注。為此，智能門禁控制系統(tǒng)也隨即應(yīng)運(yùn)而生。其中，基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)功能先進(jìn)的高科技防范技術(shù)和管理手段。在指定管理的區(qū)域安裝門禁控制系統(tǒng)，人員的進(jìn)出必需配備定制卡片或輸入正確按鍵密碼方可獲準(zhǔn)出入，這就大大提高了門禁管理的安全性，同時(shí)也方便了樓宇小區(qū)的內(nèi)部管理。迄至目前，智能化門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為安防科學(xué)技術(shù)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)研發(fā)方向之一[1-3]。

1 RFID技術(shù)概述

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，利用電磁感應(yīng)、無線電波等進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到有效目標(biāo)識(shí)別，并成功實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)。時(shí)下，RFID技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了電子商務(wù)、物流等諸多領(lǐng)域，而且當(dāng)前的 RFID系統(tǒng)則設(shè)有低頻、高頻和超高頻等3個(gè)工作頻段，其工作原理就是利用電磁感應(yīng)和電磁波發(fā)射[2]。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，RFID均由電子標(biāo)簽、讀寫器和單片機(jī)三部分組成。RFID技術(shù)的主體構(gòu)建框架即如圖1所示[4]。

由圖1可知，本次研究設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽、讀寫器是利用近場的電磁感應(yīng)完成數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)將用于數(shù)據(jù)的全面統(tǒng)籌管理。

2 智能門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于RFID技術(shù)的智能門禁控制系統(tǒng)主要分為外圍硬件系統(tǒng)和內(nèi)部軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分。當(dāng)IC卡進(jìn)入讀寫器接收范圍后，讀寫器發(fā)出射頻脈沖信號給IC卡提供能量。IC卡接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流獲得能量發(fā)送出卡片中存儲(chǔ)的信息，通過讀寫器的操作變換，再將信息返送至單片機(jī)展開有關(guān)數(shù)據(jù)處理，完成門禁管理[5]。

2.1 智能門禁控制系統(tǒng)需求分析

（1）硬件設(shè)計(jì)。非接觸式IC卡射頻識(shí)別系統(tǒng)和其外圍電路以及與單片機(jī)模塊接口電路設(shè)計(jì)；功能設(shè)定以及密碼設(shè)置的4×4矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)；功能顯示的LCD電路設(shè)計(jì)；開/關(guān)門步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。

（2）軟件設(shè)計(jì)?；赗FID射頻識(shí)別技術(shù)門禁控制系統(tǒng)可完成注冊、刷卡、銷卡、密碼驗(yàn)證、重置密碼的功能，所有功能通過液晶顯示器提供顯示。為能夠滿足上述所有功能預(yù)期，軟件部分主要包括如下設(shè)計(jì)組成：

① IC卡識(shí)別、讀卡程序；

② 4×4矩陣鍵盤程序；

③ 單片機(jī)內(nèi)部EEPROM讀寫程序；

④ LCD12864液晶顯示程序；

⑤ 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序。

門禁控制系統(tǒng)軟件采用C語言編制，包括非接觸式IC卡讀寫程序、LCD顯示程序、密碼驗(yàn)證及重置程序等內(nèi)容，采用模塊化設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)所有功能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本次研究的門禁控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上由5部分組成，分別是：STC89C52單片機(jī)控制模塊、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）電路模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD12864液晶模塊，還有步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

過程中，首先通過IC讀卡模塊MFRC522來識(shí)別IC卡，再把卡號數(shù)據(jù)上傳給控制中心STC89C52單片機(jī)。單片機(jī)接收數(shù)據(jù)信息，根據(jù)內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)的卡號信息，核對卡號是否為已注冊的卡號：若是，將發(fā)出開門指令，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊TB6560操控步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，執(zhí)行開門命令；反之，則發(fā)出關(guān)門指令，電機(jī)不工作。為方便未攜帶IC卡的用戶快捷開啟門禁，本系統(tǒng)另外可用4×4矩陣鍵盤輸入密碼，單片機(jī)調(diào)取內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)器中的匹配密碼，核對密碼是否正確，來實(shí)現(xiàn)門的開和關(guān)，同時(shí)也可以重置密碼，所有的執(zhí)行和操作都在LCD12864液晶上生成視像顯示[6]。

3 門禁系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)門禁系統(tǒng)完整的電路原理設(shè)計(jì)可如圖3所示。

本系統(tǒng)采用STC89C52 單片機(jī)為控制核心，射頻IC卡信息由MFRC522模塊讀出，通過單片機(jī)處理后在LCD12864上顯示相關(guān)執(zhí)行信息，同時(shí)也可以通過4×4矩陣鍵盤按鍵來切換執(zhí)行密碼驗(yàn)證和修改密碼的功能。

這里采用8位并行接口方式對LCD12864進(jìn)行操作，DB0～DB7與單片機(jī)P2.7～P2.0對接，STC89C52的P2端口作為顯示數(shù)據(jù)的輸入端口。EN、R/W、RS三個(gè)控制端與單片機(jī)P0.5～P0.7對接。

本系統(tǒng)使用4×4鍵盤實(shí)現(xiàn)密碼輸入驗(yàn)證及修改功能。AB0～AB7與單片機(jī)P3.0～P3.7對接，STC89C52的P3端口作為按鍵的輸入端口。其中有10個(gè)鍵值為0～9的按鍵用來輸入和設(shè)置密碼，另外選取4個(gè)鍵值分別為11、12、13和15的按鍵通過軟件程序，運(yùn)行得到了功能界面上翻、功能界面下翻、密碼按鍵退格消除及確定功能。

MFRC522模塊的SCS、SCK、MOSI、MISO、RST接口與單片機(jī)P1.0～P1.4對接。門禁開關(guān)控制通過42步進(jìn)電機(jī)模擬設(shè)計(jì)調(diào)試，驅(qū)動(dòng)電路使用TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板24 V電源供電，共陽接法控制，EN-、DR-、CR-接口與單片機(jī)P1.5～P1.7對接[7]。

4 門禁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次研發(fā)系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

本系統(tǒng)的流程研發(fā)主要包括MFRC522讀寫IC程序和4×4矩陣按鍵識(shí)別和處理程序，顯示部分用LCD12864液晶顯示屏以并口方式傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)刷卡、注銷卡、輸入密碼、修改密碼以及開門、關(guān)門文字發(fā)布顯示，并把控制信號傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)、即步進(jìn)電機(jī)，來調(diào)控開、關(guān)門的行為事件[8-9]。

5 門禁系統(tǒng)調(diào)試

門禁控制系統(tǒng)采用讀卡器（MFRC522模塊）來檢測有無IC卡，對其進(jìn)行識(shí)別，再用單片機(jī)來控制電機(jī)模塊部分。同時(shí)，也可以通過密碼來識(shí)別。系統(tǒng)調(diào)試過程可詳見如下。

步驟一 調(diào)到“3.IC卡登記”的界面，通過MFRC522讀取卡號，將其保存到單片機(jī)的EEPROM中。刷卡登記界面如圖5所示。

步驟二 在“1.IC卡讀卡輸入”的界面，將卡放置在MFRC522模塊上，讀取卡號，并行調(diào)取單片機(jī)內(nèi)EEPROM卡號后進(jìn)行匹配，匹配正確就顯示“成功”。此后就會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，執(zhí)行開門動(dòng)作。正確刷卡界面如圖6所示。

步驟三 如果嘗試去讀取不匹配的IC卡，就會(huì)在液晶屏幕上顯示失敗和錯(cuò)誤以及此時(shí)的卡號。電機(jī)也不會(huì)獲得啟動(dòng)執(zhí)行。錯(cuò)誤刷卡界面則如圖7所示。

步驟四 在“4.密碼設(shè)置：8位”的界面，主要針對出門時(shí)忘記帶卡的場景。此時(shí)可以利用按鍵開門。這里設(shè)置密碼為8個(gè)1，保存在單片機(jī)EEPROM內(nèi)。密碼設(shè)置界面如圖8所示。

步驟五 在“2.密碼輸入：8位”界面，輸入最新設(shè)置的密碼8個(gè)，就會(huì)顯示成功。此時(shí)將啟動(dòng)電機(jī)，執(zhí)行開門。密碼驗(yàn)證界面即如圖9所示。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期要求，符合了預(yù)想設(shè)計(jì)，取得了良好實(shí)踐效果。總地來說，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）讀取IC卡；

（2）將卡號信息顯示在LCD上；

（3）通過按鍵可輸入密碼；

（4）進(jìn)行密碼驗(yàn)證；

（5）修改密碼等。

此后的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，未來的門禁系統(tǒng)將會(huì)更加人性化和智能化[10]。

參考文獻(xiàn)

[1] 王汝琳. 智能門禁控制系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 楊友文，王建華. 射頻IC卡系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，25（S1）：982-984.

[3] 顏濤. RFID技術(shù)研究及其在倉儲(chǔ)管理中的應(yīng)用[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

[4] 張潔. 基于RFID技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2010.

[5] 史紀(jì)元，黃忠義. 智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，5（2）：12-13，20.

[6] 安靜宇. 基于非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2006.

[7] 原巍春. 基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[8] 章登科，韓國程，俞朝暉，等. RFID技術(shù)及其在智能包裝中的應(yīng)用[J]. 包裝工程，2018，39（1）：6-11.

[9] 馬秀麗，姜學(xué)軍. 射頻卡讀寫電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J]. 金卡工程，2005（8）：50-53.

[10]於文剛. 基于RFID的蔬菜質(zhì)量溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016，6（4）：48-50.