基于RFID的小區(qū)門(mén)禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著安全意識(shí)的提高以及管理數(shù)字化、智能化要求的提出，小區(qū)門(mén)禁管理系統(tǒng)已大量引入各種新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員出入管理的有效控制。文中提出一種基于射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的小區(qū)門(mén)禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)控制器通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)讀取用戶卡號(hào)，利用串口通信將卡號(hào)數(shù)據(jù)上傳到門(mén)禁管理軟件進(jìn)行用戶身份信息核對(duì)與確認(rèn)，并將核對(duì)信息返回控制器以控制門(mén)禁開(kāi)啟與提醒，滿足現(xiàn)代化門(mén)禁管理的要求。

關(guān)鍵詞：門(mén)禁;射頻識(shí)別技術(shù);串口通信;單片機(jī);控制器;身份信息

中圖分類號(hào)：TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

由于安全問(wèn)題越來(lái)越突出，人們對(duì)社區(qū)安保措施的要求也不斷提高，許多社區(qū)、寫(xiě)字樓、校園等公共區(qū)域已廣泛應(yīng)用各類門(mén)禁系統(tǒng)[1]。目前使用最為普遍的智能門(mén)禁系統(tǒng)分別是密碼式門(mén)禁系統(tǒng)、刷卡式門(mén)禁系統(tǒng)與采用生物識(shí)別技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)三種。密碼式門(mén)禁系統(tǒng)安全性較差，容易造成密碼泄露;生物識(shí)別技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)一般采用指紋、人臉及虹膜等人體特征作為識(shí)別手段，不可復(fù)制性與唯一性決定了其安全性，但其價(jià)格昂貴，不利于大量部署。射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification ，RFID）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信息識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，非接觸式IC卡門(mén)禁系統(tǒng)由于其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)良特性已成為住宅、企業(yè)等安防系統(tǒng)的重要組成部分[2-3]。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及機(jī)械電子技術(shù)迅猛發(fā)展的過(guò)程中快速成長(zhǎng)，其安全便捷、成本低廉、故障率低等優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)今門(mén)禁系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。本文基于51單片機(jī)與RFID研究并設(shè)計(jì)一套小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在小區(qū)出入口門(mén)禁進(jìn)行RFID識(shí)別獲取住戶身份信息，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)已有的居民信息進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)行高效、安全的社區(qū)管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的門(mén)禁管理系統(tǒng)包括由控制器、讀卡器、電控鎖、LCD液晶顯示等模塊組成的控制器與門(mén)禁管理程序兩部分。其中，門(mén)禁控制器是系統(tǒng)的核心單元，由微處理器與外圍電路組成，微處理器STC89C52RC是宏晶科技公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位處理器，具有8 KB FLASH和512 B RAM，32個(gè)I/O端口[5]。射頻讀卡器模塊采用NXP公司生產(chǎn)的MF RC522模塊，該芯片具有高度集成的非接觸式（13.56 MHz）低功耗讀寫(xiě)功能，在無(wú)需其他電路的情況下可通過(guò)內(nèi)部發(fā)送器部分驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)器天線在ISO 14443A/MIFARE卡與應(yīng)答機(jī)之間通信，支持SPI，UART，I2C三種不同的接口與微處理器通信[6]，本文設(shè)計(jì)使用SPI接口與單片機(jī)通信。LCD液晶顯示模塊為J12864模塊，是一款低電壓低功耗的中文漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，可用來(lái)顯示漢字與圖形，分辨率為128×64，內(nèi)有8 192個(gè)16×16點(diǎn)陣中文漢字，價(jià)格低廉，同時(shí)顯示效果滿足設(shè)計(jì)要求。門(mén)禁管理系統(tǒng)通過(guò)串口與控制器通信，開(kāi)發(fā)環(huán)境為微軟Visual Studio 2013，用戶界面使用C#編程語(yǔ)言的WinForm窗體框架，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用輕量級(jí)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)SQLite即可滿足要求[7]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文門(mén)禁管理系統(tǒng)可有效解決日常門(mén)禁使用過(guò)程中用戶信息管理不夠直觀的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速、高效、準(zhǔn)確的社區(qū)安全管理，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）門(mén)禁管理，通過(guò)RFID技術(shù)綁定用戶身份信息到電子標(biāo)簽上，當(dāng)用戶刷卡時(shí)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)連接識(shí)別身份信息，開(kāi)啟小區(qū)門(mén)禁;

（2）用戶數(shù)據(jù)管理，可對(duì)用戶信息進(jìn)行增加、刪除、修改、查找，對(duì)于新入住的居民可以添加讀寫(xiě)卡號(hào)與用戶信息，刪除已搬離社區(qū)的居民信息，修改居民可能更換的信息，查找用戶的相關(guān)信息;

（3）開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作，在沒(méi)有刷卡開(kāi)門(mén)的動(dòng)作下，可直接按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén);

（4）報(bào)警動(dòng)作，當(dāng)用戶卡號(hào)沒(méi)有在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢到時(shí)，門(mén)無(wú)法開(kāi)啟，并且通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)軟件部分包括單片機(jī)控制器程序與門(mén)禁管理程序。單片機(jī)控制器程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件電路的控制，包括RFID讀卡識(shí)別、串口通信、LCD顯示、聲光提醒等功能。門(mén)禁管理程序主要完成用戶信息管理、存儲(chǔ)以及與單片機(jī)通信等功能。

2.1 控制器程序?qū)崿F(xiàn)

控制器程序是單片機(jī)控制系統(tǒng)程序，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為主流的單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件Keil C51，該軟件提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理及功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)框架[8]。RFID卡號(hào)就像每個(gè)人的身份證號(hào)一樣具有唯一性，并且固化在芯片中無(wú)法被修改，當(dāng)住戶刷卡時(shí)，門(mén)禁控制器讀取RFID卡號(hào)并利用串口通信將卡號(hào)上傳至管理軟件，管理軟件查詢用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有對(duì)應(yīng)的卡號(hào)綁定的居民信息，若存在則返回確認(rèn)數(shù)據(jù)以開(kāi)啟小區(qū)門(mén)禁并提示正常出入，不存在則拒絕開(kāi)啟門(mén)禁并在液晶顯示屏上提示用戶卡無(wú)效以及蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)用戶離開(kāi)小區(qū)時(shí)無(wú)需刷卡只需通過(guò)按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)，具體工作流程如圖2所示。

2.2 門(mén)禁管理程序?qū)崿F(xiàn)

門(mén)禁管理程序采用C#編程語(yǔ)言的WinForm窗體用戶界面應(yīng)用程序，其開(kāi)發(fā)平臺(tái)為微軟公司推出的最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio 2013。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)用戶信息與RFID卡號(hào)綁定以及存儲(chǔ)、查詢、管理功能，詳細(xì)功能包括以下三個(gè)部分：

（1）用戶交互界面設(shè)計(jì);

（2）串口通信，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)操作;

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)操作，用戶信息增加、刪除、修改、查詢。

界面設(shè)計(jì)采用WinFom可視化設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)，使用.Net Framework框架提供的豐富類庫(kù)與控件布局。本文設(shè)計(jì)中使用的控件有Label，TextBox，Button，PictureBox，RadioButton，ComboBox等控件，主界面如圖3所示。主界面包括門(mén)禁管理功能、人員管理、人員添加、遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)。門(mén)禁管理功能可設(shè)置門(mén)禁時(shí)間以及控制器串口通信參數(shù);當(dāng)用戶刷卡時(shí)人員管理功能顯示從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出來(lái)的用戶信息;人員添加功能實(shí)現(xiàn)添加新人員門(mén)禁權(quán)限，同時(shí)將該卡與人員信息綁定存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要保存的信息包括姓名、卡號(hào)、性別、年齡、民族、手機(jī)號(hào)碼、籍貫、住址、身份證號(hào)等。

串口通信使用C#的串口控件SerialPort控件，端口號(hào)由硬件識(shí)別結(jié)果確定，波特率為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)位為8位，檢驗(yàn)位為None，停止位默認(rèn)設(shè)置為1。串口打開(kāi)通過(guò)SerialPort.Open（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，打開(kāi)后即可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)[9]。串口發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)SerialPort.Write（byte[] data， int start，int length）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其中data是一個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)組，start是數(shù)據(jù)數(shù)組發(fā)送的起始位置，一般為0，length是發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。串口異步接收數(shù)據(jù)，使用串口控件SerailPort的DataReceived事件處理函數(shù)進(jìn)行接收，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至管理程序時(shí)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)接收，串口配置主要實(shí)現(xiàn)代碼如下。

2.3 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

門(mén)禁系統(tǒng)管理軟件與單片機(jī)程序通過(guò)串口進(jìn)行通信，串口通信的特點(diǎn)是一個(gè)字符接著一個(gè)字符進(jìn)行傳輸，并且傳輸字符時(shí)總是以起始位開(kāi)始，以停止位結(jié)束，字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求，因此雙方必須共同遵循同一套通信協(xié)議才能保證數(shù)據(jù)傳輸完整正確[10]。本文通信需要實(shí)現(xiàn)控制器用戶卡號(hào)上傳與管理軟件查詢結(jié)果返回的功能。通信協(xié)議主要包括數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令類型、設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)正文、CRC校驗(yàn)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

控制器單片機(jī)通過(guò)硬件串口設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)，門(mén)禁系統(tǒng)管理軟件通過(guò)SerialPort類調(diào)用硬件設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)。為保障數(shù)據(jù)正確傳輸，程序設(shè)計(jì)時(shí)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與重發(fā)機(jī)制。接收串口數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，結(jié)合串口協(xié)議分析需要解決的問(wèn)題為：緩存串口收到的所有數(shù)據(jù);找到一條完整數(shù)據(jù)幀;分析數(shù)據(jù)幀的命令內(nèi)容;將分析出的命令通知上層應(yīng)用。緩存接收所有數(shù)據(jù)最高效的方法是利用C#中的List〈B〉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)元素的增、刪、改操作，因此利用SerialPort類的DataReceived增加接收事件將串口接收數(shù)據(jù)全部放入List〈B〉結(jié)構(gòu)后再分析。找出一條完整的數(shù)據(jù)幀，首先在緩存的數(shù)據(jù)中找到幀頭，找到后檢測(cè)后面一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后計(jì)算緩存剩下的數(shù)據(jù)是否足夠，數(shù)據(jù)不夠就停止分析以減少時(shí)間消耗，如果剩余數(shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，計(jì)算出數(shù)據(jù)幀CRC校驗(yàn)碼并與緩存數(shù)據(jù)中的CRC校驗(yàn)碼對(duì)比，如果校驗(yàn)碼一致說(shuō)明數(shù)據(jù)幀傳輸正確，解析幀內(nèi)容并通知上層應(yīng)用處理，否則丟棄掉該幀等待重發(fā)。

3 結(jié) 語(yǔ)

門(mén)禁系統(tǒng)已經(jīng)是現(xiàn)代安保設(shè)施的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是社區(qū)、辦公、商場(chǎng)領(lǐng)域智能化與數(shù)字化管理的重要應(yīng)用之一。本文設(shè)計(jì)的小區(qū)門(mén)禁管理系統(tǒng)采用自動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)，其方案成本低，使用便捷，技術(shù)成熟，滿足小區(qū)管理現(xiàn)代化、智能化、易用性的要求，通過(guò)RFID即可實(shí)現(xiàn)全區(qū)域出入人員的有效管理，是現(xiàn)代社會(huì)智能化的一個(gè)重要應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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