基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計(共15頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上懷化職業(yè)技術學院高職生畢業(yè)論文（設計）題目：基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計學生姓名： 何敏 專 業(yè)： 應用電子技術 班 級： 08應電 指導教師： 唐晨光 完成日期： 2010.11.24 教務處印制畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）課題： 基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計 學 生 姓 名： 何敏 指 導 教 師： 唐晨光 設 計 （論文） 要 求：一、內容說明: 1、設計系統(tǒng)框圖； 2、選擇合適的IC卡，綜合比較； 3、設計具體電路、編寫軟件，實現(xiàn)功能； 4、包含系統(tǒng)調試模塊。 二、要求與說明: 1、設計系統(tǒng)框圖； 2、選擇合適的數(shù)據采集方案； 3、設計具體電路、

2、編寫軟件，實現(xiàn)功能； 4、包含系統(tǒng)調試模塊。 5.字數(shù)不少于4000字（包括圖）;不得抄襲, 否則責任自負,并作不及格處理;6. 按要求設計好封面，字體、段落和格式等嚴格按論文模板要求。電子文檔經指導老師審查符合要求才能參加答辯。全部文件交系部統(tǒng)一電腦打印，并裝訂成冊; 9. 畢業(yè)論文（設計）都要求在畢業(yè)前進行答辯。學生可以參考一些專業(yè)性的雜志,掌握論文格式; 10. 實習報告或畢業(yè)設計具體要求見附表。三、時間要求： 1.于2010年下學期第15周前完成畢業(yè)設計; 2.答辯時間: 2010年 12 月 10 日。 目 錄 4.1.1nRF903芯片介紹7基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計摘 要：本

3、論文介紹了一種基于無線通信的非接觸式IC卡樓宇門禁系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)中數(shù)據的多點跳傳無線通信方式及通信協(xié)議。論文主要討論了無線通信在IC卡樓宇門禁系統(tǒng)中的軟、硬件實現(xiàn)方法，并給出了該系統(tǒng)的硬件電路框圖和通信軟件流程圖。本論文還系統(tǒng)分析了非接觸式IC卡門禁技術的發(fā)展狀況和非接觸式IC卡系統(tǒng)。關鍵詞：無線通信 門禁系統(tǒng) 非接觸式IC卡1、引言隨著以人為本的社會生活意識的提高，越來越多的住戶對小區(qū)的安全防范意識也不斷的增強，實現(xiàn)小區(qū)管理的智能化勢在必行。門禁系統(tǒng)已由早期單純的門道及鑰匙管理，發(fā)展為一套完整的出入管理系統(tǒng)，并且通過采用先進的網絡技術，使整套系統(tǒng)的操作和自身資源的使用不再受時間和地域的限制

4、。目前，IC卡門禁系統(tǒng)數(shù)據的傳輸基本是基于有線的網絡, 如RS485, CAN 等。這些有線網絡施工布線工作量大，網線易受人為破壞，線路損壞后，故障點不易查找，且易受雷擊和過電壓的影響。而數(shù)據采用無線傳輸方式又常常面臨無法滿足距離要求的難題,即使?jié)M足代價也非常大。針對這種情況，本論文提出了一種基于多點無線數(shù)據傳輸?shù)腎C卡門禁系統(tǒng)，采用單片無線收發(fā)芯片nRF903，數(shù)據采用多點跳傳的方法，每個門禁點在作為本身數(shù)據的收發(fā)端的同時,又可做為其他門禁點數(shù)據的無線轉發(fā)中繼站，從而構成不受傳輸距離限制的無線通信鏈路。2、門禁系統(tǒng)的發(fā)展出入口門禁系統(tǒng)顧名思義就是對出入口通道進行管制的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)的門鎖基

5、礎上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的機械門鎖僅僅是單純的機械裝置，無論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能用通過各種手段把它打開。在出入人很多的通道（如辦公室，酒店客房）鑰匙的管理很麻煩，鑰匙丟失或人員更換都要把鎖和鑰匙一起更換。為了解決這些問題，就出現(xiàn)了電子磁卡鎖，電子密碼鎖，這兩種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理程度，使通道管理進入了電子時代，但隨著這兩種電子鎖的不斷應用，它們本身的缺陷就逐漸暴露，磁卡鎖的問題是信息容易復制，卡片與讀卡機具之間磨損大，故障率高，安全系數(shù)低。密碼鎖的問題是密碼容易泄露，又無從查起，安全系數(shù)很低。同時這個時期的產品由于大多采用讀卡部分（密碼輸入）與控制部

6、分合在一起安裝在門外，很容易被人在室外打開鎖。這個時期的門禁系統(tǒng)還停留在早期不成熟階段，因此當時的門禁系統(tǒng)通常被人稱為電子鎖，應用也不廣泛。最近幾年隨著感應卡技術，生物識別技術的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進入了成熟期，出現(xiàn)了感應卡式門禁系統(tǒng)，指紋門禁系統(tǒng)，虹膜門禁系統(tǒng)，面部識別門禁系統(tǒng)，亂序鍵盤門禁系統(tǒng)等各種技術的系統(tǒng)，它們在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特長，門禁系統(tǒng)的應用領域也越來越廣。3、方案設計3.1 卡式門禁的選擇隨著感應卡技術，生物識別技術的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進入了成熟期，出現(xiàn)了很多卡式門禁系統(tǒng)。安全防范意識也不斷的增強，人們對于卡式門禁的選擇也有了很

7、大的要求，為了達到最安全、最適用，所以對卡式的選擇也很重要。各種卡式的比較如表1所示：表1 幾種卡式的比較性能磁卡接觸式IC卡非接觸式IC卡信息載體磁性物質（磁條）EEPROMEEPROM信息量較小大大讀取方式電磁轉換電擦寫無線通信保密性一般好好識別速度低低很快讀取距離接觸接觸遠使用壽命短長很長成本低較高較高多標簽同時識別不能不能能從表1可以看出，非接觸式IC卡是現(xiàn)今卡式門禁系統(tǒng)最好、最合適的選擇。所以本論文是采用非接觸式IC卡的門禁管理系統(tǒng)。非接觸式IC卡是IC卡領域的一項新興技術，它是射頻識別技術和IC卡技術相結合的產物。3.2 門禁系統(tǒng)的構成門禁系統(tǒng)構成分為三部分：一是無線IC卡門禁機部

8、分，二是中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊，三是無線數(shù)據收發(fā)器的數(shù)據傳輸模塊。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1 樓宇門禁系統(tǒng)框圖 4、硬件設計采用Philips公司的非接觸式IC卡Mifare 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN（全球唯一） 為依據控制門的開啟。系統(tǒng)工作流程如下：發(fā)卡系統(tǒng)（中央控制PC機）將用戶的卡號及個人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機。當M1卡進入門禁機的有效工作范圍內時，門禁機讀取M1卡的序列號SN，判斷收到的卡號是否合法，合法則驅動電磁門鎖開門，并暫時保存其開門記錄；如果是非法卡（未經授權或已掛失的卡）則拒絕開門并上傳報警信息。系統(tǒng)定時采集各

9、門禁點的出入記錄并加以存儲、分析、處理。硬件電路主要由MIFARE卡讀寫模塊ZLG500A及天線、主控制器AT89C52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權卡號存儲器、時鐘電路、監(jiān)控電路、NRF903無線通信接口電路以及電磁門鎖等部分組成，其硬件框圖如圖2所示： 圖2 門禁系統(tǒng)硬件框圖 4.1 無線通信接口電路模塊4.1.1 nRF903芯片介紹系統(tǒng)的無線通信模塊采用了Nordic VLSI 公司的單片UHF多段無線收發(fā)芯片nRF903。nRF903工作于433/ 868/ 915 MHz ISM頻段，無需申請頻點，具體工作頻率可以通過與之相連的單片機進行設置。nRF903片內集成了電源管理、單片機

10、接口、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，外圍元件少；曼徹斯特編碼/ 解碼由片內硬件完成,無需用戶對數(shù)據進行曼徹斯特編碼,因此使用非常方便。nRF903采用易于獲得的11.0592MHz晶振和10.7MHz濾波器，它內部集成了變容二極管，并通過頻率合成器合成工作頻率，因而大大降低了成本并增加了使用的靈活性。nRF903采用優(yōu)化的GMSK調制解調技術，可在155.6KHz的有效帶寬下傳輸最高76.8bps的數(shù)據；天線接口設計為差分天線，因而可采用低成本的PCB天線；最大發(fā)射功率+10 dBm，接收靈敏度為460 dBm ,在開闊地傳輸距離一般可達600m以上。nRF903工作

11、電壓：2.7-3.3V ，低功耗。nRF903還具有待機模式，這樣更節(jié)能和高效。工作溫度：-40+85，發(fā)射電流：31mA，接收電流：23mA，輸出功率：+10dBm，速率：76.8kbps。4.1.2 nRF903與MCU的連接nRF903 采用SPI(串行外設接口) 與微控制器通訊,它自動處理字頭和CRC校驗 ,使用極為方便,只需將要發(fā)送的數(shù)據和接收機地址送給nRF903， nRF903 自動完成數(shù)據打包(加字頭和CRC 校驗碼)發(fā)送,在接收中有載波偵測引腳，接收到正確的數(shù)據包時,自動移去字頭、地址和CRC 校驗碼,然后通知微處理器取數(shù)據。nRF903與MCU的接口電路如圖3所示。nRF9

12、03 的雙向數(shù)據線DATA 分別連接在AT89C52 的RXD 和TXD 引腳,RXD 和TXD 之間通過一個10k的電阻隔離。AT89C52 通過連接STBY 和PWR-DWN 的P1.5 和P1.6 對nRF903 進行工作模式設置,通過連接CFG-DATA、CFG-CLK 和CS 的P1.2、P1.3 和P1.4 對nRF903 工作參數(shù)進行配置,以串行方式將14 位的配置字移入nRF903 的寄存器中,從而實現(xiàn)對頻段、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率的配置。圖3 nRF903與MCU的接口電路4.2 非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)的構成非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)由非接觸式IC卡、讀卡器和PC管理機組成

13、，此外還包括外部門禁設備。（1)讀卡器：是門禁系統(tǒng)的主要設備，直接與PC機通過RS一232串行口相連，只要有非接觸式IC卡進入讀卡器天線射頻能量范圍，讀卡器便通過射頻信號與IC卡通信，認證密碼，讀取卡中的數(shù)據，并將其存入計算機中。(2)非接觸式IC卡：相當于開門鑰匙，它是通過磁力線圈產生感應電流向讀卡器發(fā)射卡內信息，完成讀卡工作的。(3)PC管理機：門禁系統(tǒng)有不同的構成方案，一種是讀卡器不帶存儲器，PC機直接與讀卡器相連，讀卡信息實時地傳送給PC機。另一種是讀卡器獨立工作。在本設計中采用的是第一種方案。(4)門禁設備：門禁設備由讀卡器中單片機的I/O口根據刷卡情況發(fā)出控制信號控制，密碼認證通過

14、開門，否則不開門。在讀卡器上用喇叭來仿真。4.2.1 讀卡器門禁系統(tǒng)的關鍵部件是讀卡器，它由微處理器、外圍擴展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5V電源之后不僅可以讀卡而且可以與計算機進行通信。其內部結構框圖如圖4所示。該讀卡器是針對Philips公司MIFARE產品設計的，能夠讀寫MIFARE列的非接觸式IC卡。非接觸式IC卡讀卡器技術指標如下：(1)讀寫卡片類型：MIFARE；(2)天線可操作距離：天線的可操作距離為510cm；(3)卡片存儲容量：卡存儲EEPROM大小為1K字節(jié)；(4)射頻輸出：通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級；(5)供電電壓：5

15、V士10(小于100mA)；(6)接口：標準RS232(讀卡器)圖4 讀卡器內部結構框圖4.2.2 讀寫芯片前面已經選定Philips公司的Mifarel卡為本論文的射頻卡，因而射頻讀寫芯片也就在Philips公司的芯片產品中挑選。MF RC530由于可以支持33V電源供電，一般多用于手持設備：MF RC531則多用于支持TYPE B型卡的場合。而MF RC500的性價比最高，市場應用最為廣泛，購買也最方便。所以本論文決定選用MFRC500射頻讀寫芯片。MF RC500是基于1356MHz非接觸式通信模式、低成本、高集成、高性能的讀卡芯片，具有下列的特性：該芯片利用了先進的調制和解調概念，完全

16、集成了在1356MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISOflEC 14443A所有的層， 內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線，最遠可達100mm。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于ISA兼容的應答器信號。 數(shù)字部分處理ISA幀和錯誤檢測。此外，它還支持快速CRYPT01加密算法用于驗證MIFARE系列產品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，這樣給讀卡器終端的設計提供了極大的靈活性。4.3 非接觸式IC卡系統(tǒng)4.3.1 非接觸式IC卡系統(tǒng)的構成非接觸式IC卡系統(tǒng)由非接觸式IC卡和非接觸式IC卡讀卡器構成。非接觸式IC卡與接觸

17、式IC卡相比，有以下特點：可靠性高、壽命長操作快捷便利、動態(tài)處理成本較高、安全性高4.3.2 非接觸式IC卡的功能組成本論文采用的非接觸式IC卡是Philips公司的MIFARE 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN為依據控制門。非接觸式IC卡的功能組成如圖5所示：圖5 非接觸式IC卡的功能組成圖 5、軟件設計5.1 設計思路基于無線傳輸?shù)姆墙佑|式IC卡門禁管理系統(tǒng)，該門禁系統(tǒng)運用基于專用無線傳輸芯片的短距離無線數(shù)據傳輸技術，構建了一個使用簡單的非接觸式IC卡讀寫系統(tǒng)。采用多點跳傳無線數(shù)據傳輸方式，為避免多個工作點傳輸時發(fā)生沖突,發(fā)送端與接收端采用握手聯(lián)絡的方式通信。軟件主程序是系統(tǒng)

18、的監(jiān)控程序，主要完成初始化，控制程序的流向，調用子程序等功能。單片機對Mifare非接觸式智能卡的控制是通過MF RC500來實現(xiàn)的，MF RC500是單片機和MIFARE接觸式智能卡之間的通信載體。單片機對MF RC500的控制是以單片機發(fā)出MF RC500的指令來達到的，MF RC500收到指令之后執(zhí)行這些指令。5.2 主程序設計軟件主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主要完成初始化，控制程序的流向，調用子程序等功能。其工作流程如圖6所示。上電復位后，程序開始運行。圖6 主程序工作流程圖5.3 MF RC500應用子程序設計單片機對Mifare非接觸式智能卡的控制是通過MF RC500來實現(xiàn)的，MF

19、RC500是單片機和MIFARE接觸式智能卡之間的通信載體。單片機對MF RC500的控制是以單片機發(fā)出MF RC500的指令來達到的，MF RC500收到指令之后執(zhí)行這些指令。單片機對MFRC500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，必須有一個程序的序列來完成，其中有對MF RC500硬件內核寄存器的讀、寫以及根據讀出的硬件內核寄存器的內容進行語言軟件上的判斷和設置。5.3.1 AT89C52對MF RC500的初始化寫41H到寄存器RxControl2： 譯碼源來自內部寫5BH到寄存器TxControl： 使能TXl和TX2腳，設置調制源來自內部寫ADH到寄存器BitPhase：

20、設置天線的位相值寫OOH到寄存器MfOutSelect： 設MFOUT引腳為低電平5.3.2 AT89C52對MF RC500的操作AT89C52是通過對MF RC500的控制來實現(xiàn)對Mifare l卡的讀寫操作，所以在軟件上我們首先要設計好AT89C52對MF RC500的控制，主要有以下三方面：(1)設置MF RC500的狀態(tài)：(2)通過讀MF RC500的狀態(tài)標志來監(jiān)視MF RC500的工作情況；(3)發(fā)送命令，要求MF RC500執(zhí)行相應的動作。實現(xiàn)上述的控制操作都是通過讀寫MF RC500的寄存器來實現(xiàn)的：設置MFRC500就是設置寄存器的某些位；監(jiān)測MF RC500即讀狀態(tài)寄存器的

21、標志位；執(zhí)行命令要向命令寄存器寫入命令代碼以及通過FIFO緩沖寄存器向緩沖區(qū)寫入令參數(shù)。5.3.3 AT89C52對MF RC500的控制指令AT89C52對MF RC500的控制過程是：AT89C52先通過FIFO緩沖區(qū)將指令寫到Command寄存器中，而后MF RC500讀取這個寄存器，即執(zhí)行這些指令。MF RC500的指令主要有：Request std，Request atl，Anticollision，Select，Loadkey，Authentication(Auth la，Auth lb)，Read，Write，Increment，Decrement，Restore，Transfer，Halt等等。指令的啟動只需要將相關的命令代碼寫到Command寄存器中，執(zhí)行命令所需要的變量和數(shù)據都是通過FIFO緩沖區(qū)來傳遞，讀這個寄存器就可以知道正在執(zhí)行哪條命令。5.4 通信協(xié)議采用多點跳傳無線數(shù)據傳輸方式,數(shù)據必須進行規(guī)定格式的處理,數(shù)據包的格式如下:D_ADDS_ADDL