基于RFID 技術(shù)的門(mén)禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 喜 王會(huì)珍 趙娟萍

（ 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系，河南 鄭州450121）

1 概述

RFID，即無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，也叫做RFID技術(shù)，開(kāi)始于二次世界大戰(zhàn)，用于敵我雙方戰(zhàn)機(jī)的識(shí)別，是一種非接觸式的信息存取技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分[1]。基于RFID技術(shù)的門(mén)禁管理系統(tǒng)，就是對(duì)住宅小區(qū)及各種公共場(chǎng)所進(jìn)行出入管理[2]。利用無(wú)線射頻技術(shù)RFID 對(duì)門(mén)禁進(jìn)行管理，使用起來(lái)非常便捷，本設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)今比較前沿的RFID 技術(shù)，為停車場(chǎng)、圖書(shū)館等創(chuàng)造一個(gè)和諧、安全、高效的門(mén)禁管理系統(tǒng)，它順應(yīng)了當(dāng)今智能化城市的發(fā)展大趨勢(shì)，市場(chǎng)價(jià)值潛力巨大[3]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于RFID技術(shù)的門(mén)禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)部分組成，第一是用來(lái)對(duì)出入進(jìn)行管理的門(mén)禁控制部分，第二是防盜報(bào)警部分。

門(mén)禁控制部分對(duì)出入管理采用兩種方式。第一種是刷卡，前提是該IC卡已經(jīng)被注冊(cè)，單片機(jī)對(duì)卡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可以觸發(fā)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)操作。第二種是密碼輸入，當(dāng)IC 卡未注冊(cè)或忘記帶卡時(shí)，可以通過(guò)輸入密碼的方式來(lái)開(kāi)門(mén)，密碼輸入正確后，經(jīng)單片機(jī)處理，觸發(fā)繼電器，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)操作。

防盜報(bào)警部分主要是當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置，并提醒管理人員，該人員不能正常出入，注意監(jiān)控客人房間的安全情況或其他場(chǎng)所出入系統(tǒng)故障。觸發(fā)報(bào)警裝置的條件是讀取了未經(jīng)注冊(cè)的卡或是密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò)了預(yù)設(shè)值。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制最小系統(tǒng)、矩陣式鍵盤(pán)模塊、RFID射頻模塊、LCD12864 液晶顯示模塊等組成。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.2 輸入部分

當(dāng)門(mén)禁管理系統(tǒng)采用無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[4,5]時(shí)，出入管理最便捷的方式就是使用IC 卡，節(jié)省出入人員的時(shí)間。如果出入人員忘記了攜帶IC卡，或是IC卡由于某種原因不能正常識(shí)別時(shí)，也可以采用密碼輸入的方式，我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)設(shè)置了矩陣式鍵盤(pán)，可以方便的進(jìn)行密碼輸入。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)門(mén)禁部分與防盜報(bào)警部分設(shè)置了初始化狀態(tài)值，讀卡或密碼輸入錯(cuò)誤超過(guò)3 次就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。

3.3 LCD12864 液晶顯示部分

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

LCD12864 液晶屏是用來(lái)對(duì)出入信息進(jìn)行顯示的。當(dāng)出入人員使用的IC卡未經(jīng)注冊(cè)，或是拿錯(cuò)了IC 卡時(shí)，LCD12864 液晶屏上會(huì)顯示錯(cuò)誤的信息，比如未注冊(cè)或卡錯(cuò)誤等，提示出入人員該IC卡無(wú)效。如果刷卡無(wú)效超過(guò)3 次，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為該人員強(qiáng)行進(jìn)入或外出，從而觸發(fā)報(bào)警裝置，工作人員聽(tīng)到報(bào)警后，會(huì)對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行處理，保證停車場(chǎng)等車輛能正常出入，或是對(duì)惡意出入的情況進(jìn)行控制，保證賓館、旅館、住宅等場(chǎng)所的財(cái)產(chǎn)與人員安全。

3.4 射頻模塊電路設(shè)計(jì)

射頻模塊采用的是RC522[6,7,8]這個(gè)模塊，它的頻率屬于低頻范圍，也就是14.56MHz，RC522 無(wú)線射頻技術(shù)的主要原理就是調(diào)試與解調(diào)，類似于路由器使用的技術(shù)，使用的通信協(xié)議方式也是常用的，穩(wěn)定性好。信號(hào)的發(fā)送和接收都能很好的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)產(chǎn)生丟包等情況。RC522 模塊工作原理主要有以下幾步：第一步，對(duì)RC522 模塊進(jìn)行初始化操作；第二步尋找在頻率范圍內(nèi)的IC 卡；第三步對(duì)尋找到的卡進(jìn)行防沖撞處理，選擇信號(hào)最強(qiáng)的卡；第四步對(duì)選擇好的卡，進(jìn)行密鑰驗(yàn)證，如果符合要求，那就對(duì)該卡數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括初始化設(shè)計(jì)、刷卡功能設(shè)計(jì)、密碼輸入設(shè)計(jì)、新卡注冊(cè)功能設(shè)計(jì)、密碼修改功能設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)供電后，控制系統(tǒng)首先完成的工作就是初始化，主要包括單片機(jī)端口狀態(tài)的初始化、RC522 初始化、LCD12864 初始狀態(tài)的初始化等。初始化完成后，才能進(jìn)行其他的功能。

圖2 軟件總體設(shè)計(jì)圖

4.1 RFID-RC522 讀卡程序

RFID-RC522 讀卡程序[9,10]首先是對(duì)卡進(jìn)行感應(yīng)，然后讀取卡內(nèi)儲(chǔ)存的信息，對(duì)卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。系統(tǒng)供電后，在對(duì)RC522 模塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，首先要進(jìn)行模塊的初始化操作。工作過(guò)程為首先對(duì)卡進(jìn)行選擇，這時(shí)工作電壓要保持穩(wěn)定，在距離范圍之內(nèi)的卡，通過(guò)無(wú)線射頻的方式進(jìn)行選擇；先擇到卡之后，對(duì)卡的類型進(jìn)行判斷，也就是防沖撞處理，如果不會(huì)發(fā)生沖撞，說(shuō)明該卡符合標(biāo)準(zhǔn)，就對(duì)卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，開(kāi)始數(shù)據(jù)交換。特別需要注意的正在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候不能把卡移開(kāi)，因?yàn)楦袘?yīng)距離是有范圍的，卡太遠(yuǎn)了會(huì)不能正確讀寫(xiě)。

4.2 LCD12864 液晶顯示程序

LCD12864 的讀寫(xiě)操作，主要包括兩部分。一個(gè)是讀寫(xiě)命令，即把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到液晶的什么位置，以什么方式顯示等；第二部分是讀寫(xiě)將要顯示的數(shù)據(jù)。在操作時(shí)，要先寫(xiě)入控制命令，然后才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)。

4.3 注冊(cè)新卡程序

LCD12864 設(shè)置了幾個(gè)不同的工作界面，供電并完成初始化后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入第一個(gè)界面，這個(gè)界面將對(duì)該系統(tǒng)有哪些功能進(jìn)行顯示。顯示預(yù)設(shè)時(shí)間后，然后會(huì)自動(dòng)切換到讀卡界面，這個(gè)界面可以通過(guò)讀卡或輸入密碼進(jìn)行出入操作。不同的界面可以通過(guò)按鍵進(jìn)行切換，對(duì)按鍵按下不同的次數(shù)，將會(huì)對(duì)應(yīng)不同的工作界面。按下按鍵，切換到新卡注冊(cè)界面后，可以對(duì)新卡進(jìn)行注冊(cè)[11,12]，注冊(cè)數(shù)據(jù)將保存在有記憶功能的EEPROM芯片里，比如該系統(tǒng)采用的是AT24C04，系統(tǒng)斷電后，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。為了防止有人惡意注冊(cè)新卡，注冊(cè)新卡時(shí)要先對(duì)已經(jīng)注冊(cè)的卡進(jìn)行讀取，系統(tǒng)確認(rèn)后，才能注冊(cè)新卡，這樣對(duì)系統(tǒng)也是一種保護(hù)。

4.4 密碼修改程序

繼續(xù)對(duì)按鍵按下不同的次數(shù)，切換到密碼修改[13,14]界面。這個(gè)界面是當(dāng)用戶感覺(jué)之前的密碼時(shí)間太長(zhǎng)不安全時(shí)，進(jìn)行修改密碼使用的。修改密碼前，首先輸入之前的密碼，輸入正確后，系統(tǒng)將提示輸入新的密碼，輸入新的密碼后，按下確認(rèn)鍵，新的密碼將會(huì)保存在EEPROM芯片里。然后切換到讀卡界面，驗(yàn)證新密碼是否有效。

5 系統(tǒng)仿真和調(diào)試

系統(tǒng)的基本信息顯示完成之后，系統(tǒng)將進(jìn)入到相應(yīng)的功能菜單顯示界面，系統(tǒng)功能有五大部分：（1）IC卡的讀卡功能，讀卡成功會(huì)顯示具體的人員信息；（2）密碼輸入功能；（3）防盜報(bào)警功能，如果讀卡或密碼輸入錯(cuò)誤超過(guò)三次會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警；（4）注冊(cè)新卡功能；（5）密碼修改功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體功能調(diào)試，保證系統(tǒng)在不同功能界面進(jìn)行切換都可以正常運(yùn)行，先對(duì)五個(gè)單一功能進(jìn)行調(diào)試，然后在五個(gè)功能之間循環(huán)進(jìn)行切換，結(jié)果都能正常工作。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)可以對(duì)門(mén)禁進(jìn)行有效管理，也具備防盜報(bào)警功能，在一定程度上方便人員出入，還可以保護(hù)財(cái)產(chǎn)安全。用戶可以通過(guò)較為快捷的刷卡與密碼輸入操作實(shí)現(xiàn)出入，同時(shí)可以隨時(shí)注冊(cè)新卡、修改密碼等。該設(shè)計(jì)可以很好地滿足對(duì)門(mén)禁的管理，安全性方面有較大提高，具備一定的實(shí)用價(jià)值。