基于IC卡的楼宇门禁系统的设计-毕业设计.doc

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基于IC卡的楼宇门禁系统的设计
学生： 指导教师：
内容摘要：在楼宇中实行门禁系统是很有必要的，本论文介绍的是基于非接触式IC卡的楼宇门禁系统，非接触式IC卡是IC卡的基础上的一次新革命，非接触式IC卡楼宇门禁管理系统是IC卡技术和射频识别技术相互结合的产物。射频技术是最近几年才发展起来的一种新的识别技术。我们现在的很多学校大都已经采用了这种方便又快捷的新技术，本文通过对接触式IC卡和非接触式IC卡的比较，总结了非接触式IC卡的优点。

关键词：非接触式IC卡 射频技术 楼宇门禁

Design of entrance guard system based on IC card
Abstract: In approximately the entrance guard system is necessary .This paper introduces the building entrance guard system based on contactless IC card. Contactless IC card is IC card on the basis of a new revolution .Non-contact IC card entrance guard building management system is the IC card technology and the product of radio frequency identification technology in combination with each other. Non-contact IC card entrance guard building management system is the IC card technology and the product of radio frequency identification technology in combination with each other. Today we have a lot of schools are mostly adopted the convenient and efficient new technologies . This article through to non-contact IC card and contactless IC card, summarizes the advantages of contactless IC card..

Keywords: no contact IC card radio frequency technology access to the building
.

目 录
前言 1
1 楼宇门禁系统的介绍 2
1.1 楼宇门禁的背景 2
1.2 楼宇门禁系统的发展 2
2 方案设计 3
2.1 卡式门禁的选择 3
2.2 门禁系统组成 4
3 硬件设计 4
4 非接触式IC卡门禁系统的构成 5
4.1 读卡器 6
4.2 IC卡 6
4.2.1 IC卡的分类 6
4.2.2 非接触式IC卡的特点 7
4.2.3 非接触式IC卡的功能组成 7
4.2.4 IC卡的技术指标 7
4.2.5 非接触式IC卡的优点 8
4.2.6 非接触式IC卡门禁系统主要技术—自动识别技术 9
5 读写芯片选用 9
6 射频接口电路 9
6.1 射频技术 9
7 数字电路部分 10
8 软件设计 11
8.1 编程语言的选择 11
8．2 主程序设计 11
8.3 MF RC500应用子程序设计 12
8.3.1 AT89C52对MF RC500的初始化 12
8.3.2 AT89C52对MF RC500的操作 12
9 结束语 13
参考文献 14

精品资料
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精品资料
基于IC卡的楼宇门禁系统的设计
前言
不知锁是从什么时候发明的，可是人们却对它情有独钟，从古至今人们的潜意识里门锁就是用来保护室内财产安全的。随着人们生活水平的提高和社会安全意识的提高，人们的安全防范意识也在不断的增强，当今社会科技越来越发达，人们对高科技服务于生活的要求也越来越高。但是运用高科技手段抢劫和盗窃的犯罪活动也层出不穷。人们渴望更可靠更安全的系统来保护自己的权益。本论文所讲的该系统不需铺设通讯线路，而且可靠性高、成本低、便于维护，尤其方便现在大多数的老社区和办公楼的智能化改造。非接触式IC卡楼宇门禁管理系统是以非接触式IC卡射频识别技术为核心，让用户能够方便和自主的使用为目的，具有高安全性、高可靠性的一种管理系统。在要使用IC卡时只需在读卡器前面一划就能轻松的识别用户名而据此来判断开门与否。相对于传统的门锁来说，传统的门锁需要钥匙开门，然而钥匙往往易丢失或者被人盗取，这样我们的生活就会有很大的隐患。本文所介绍的非接触式IC卡门禁管理系统就不存在这种问题，卡片不易被复制所以也就使得这种非接触式IC卡门禁管理系统现已广泛地应用于楼宇自动化和很多重要区域。

1 楼宇门禁系统的介绍
1.1 楼宇门禁的背景
从古至今人们的潜意识里门锁就是用来保护室内财产安全的。随着人们生活水平的提高和社会安全意识的提高，人们的安全防范意识也不断的增强，当今社会科技越来越发达，人们对高科技服务于生活的要求也越来越高。传统的机械门锁只是单纯的机械装置，无论结构设计多么巧妙，材料多么坚固，然而人们却总能通过各种手段把它打开。而且这种机械锁都是通过一把钥匙来开门，我们都知道钥匙太多又会成累赘。这样会让我们的生活变得特别繁琐，而且钥匙的管理真的很麻烦，人员更换或者钥匙丢失都要把锁和钥匙一起换掉。这样不仅不方便我们的生活还给我们的生活带来了无尽的烦恼。所以我们就以智慧来想办法解决这些问题[1]。
为了解决这些问题，就出现了电子密码锁和电子磁卡，虽然在一定程度上解决了传统门锁的不足，但是每一种东西都会有一定的缺陷，随着人们使用的增加，它们的缺陷也就逐渐显露出来，电子密码锁的问题是密码和容易被泄露，而且人们也很难查出怎能么泄露的。电子磁卡锁的问题是信息很容易被复制，而且卡片与读卡机具之间磨损又大，识别又不精确磨损又很厉害，这样就很不安全。而且很容易被人在室外开锁。随着时间的推移近几年出现了很多门禁系统，还有指纹识别系统、面部识别系统等等但是到现今最好用也是最实用的系统莫过于本文介绍的这种非接触式的IC卡门管理禁系统。
IC卡行业的发展始于1993年左右，当时我们国家建立了“金卡工程”，到现在已经取得了相当了不起的成就。我们已经自主开发较大容量的储存卡，但是对于本文要介绍的非接触式的IC卡技术仍处于比较落后的状态，然而这种技术又是现在很多行业所需要的，所以为了加快非接触式的IC卡的发展，我国不少科研院所参与到射频卡的研究上来，尤其是中科院这个我们国家的高科技集中的院所更是作出了不朽的贡献[2]。
1.2 楼宇门禁系统的发展
随着社会的发展，人们对于防盗的要求也越来越高。传统的门锁仅仅是单纯的机械组装，然而开锁的工具往往只需一把钥匙。可是钥匙却很容易丢失和复制，为了解决这种烦人的问题于是就出现了电子磁卡锁和电子密码锁。这就标志着门禁管理进入了信息时代。
第一代门禁：
键盘输入密码方式这种门禁优点是简单易操作缺点是会因忘记密码而被拒之门外；
第二代门禁：
接触卡式：
▲磁码卡：把瓷质贴在塑料卡片上制成的，缺点是易消磨、易磨损。
▲铁码卡：卡片中间用特殊金属线排列编码，优点是安全性能高，缺点是容易消磁。
第三代门禁：
非接触式IC卡：采用半导体制造技术和信息安全技术，通过电子回路和感应线圈在读卡器产生特殊的振荡频率，只要卡片进入了读卡的范围，感应电流就会使电子回路发射信号到读卡器上面，收到的信号被读卡器发送到控制器，遥控器经过处理再把信息反馈回来。
第四代门禁：
生物识别系统：有指纹机、视网膜机和声音辨别机和人脸辨别机。这些都是比较高级的出入口使用的控制系统，对于本论文所介绍的楼宇门禁系统来说没有必要使用这种技术，从钱财的投入来说不经济实惠，而且安装也比较麻烦。而且这些识别系统还有缺点人生病会影响识别效果，甚至会无法识别[3]。

2 方案设计
2.1 卡式门禁的选择
随着生物识别技术，感应卡技术的发展，门禁系统也越来越成熟，随着人们安全防范意识也不断的增强，人们对于卡式门禁的选择也有了的要求也加大了，下表是几种卡的比较如下表2.1—1所示：

表2.1—1 卡式比较
性能
磁卡
接触式IC卡
非接触式IC卡
信息载体
磁性物质（磁条）
EEPROM
EEPROM
信息量
较小
大
大
读取方式
电磁转换
电擦写
无线通信
保密性
一般
好
好
识别速度
低
低
很快
读取距离
接触
接触
远
使用寿命
短
长
很长
成本
低
较高
较高
多标签同时识别
不能
不能
能

从上表可以看出，非接触式IC卡是当今卡式门禁系统当中最好的选择。所以本论文选用的就是非接触式IC卡的门禁管理系统。非接触式IC卡是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物，是人类门禁史上的一次重大科研成果。
2.2 门禁系统组成
门禁系统的构成是由读写器部分、中央控制电脑的软件管理系统模块、中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块组成，如图2.2—1所示：

楼层PC1
楼层PC n
电磁门锁n
门禁读卡器1
门禁读卡器n
电磁门锁1
电磁门锁n
门禁读卡器n
门禁读卡器1
电磁门锁1
管理中心服务器
局域网

图2.2—1 楼宇门禁系统框图

3 硬件设计
本论文采用Philips公司的非接触式IC卡Mifare 1卡，以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN为依据控制门的开关。硬件电路主要是由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、数据传输、中央控制、键盘、显示器主控制器AT89C52、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件框图如图3—1所示：

主控
MCU单片机芯片（89C52）
复位电路
时钟电路
（DS1302）

数据存储电路
传输模块
RS485
中央控制
电脑
MCM500
模块
天
线
液晶显示
键盘
电锁
出门
按钮
射
频
卡
图3-1 门禁系统硬件框图

4 非接触式IC卡门禁系统的构成
非接触式IC卡门禁系统由非接触式IC卡、读卡器和PC管理机组成，此外还包括外部门禁设备如图4—1所示：

图4—1 系统基本组成框图

4.1 读卡器
门禁系统的关键部件就是是读卡器，它是由读写芯片、微处理器、射频天线、串行通信接口、外围扩展器件等几部分组成的。接上串行口和+5V电源可以读卡和与计算机通信。读卡器是用户与卡片之间的桥梁，能够处理来自身份的信息[4]。其内部结构框图如图4.1—1所示。
本课题采用的读卡器是针对Philips公司MIFARE产品设计的，能够读写MIFARE列的非接触式IC卡。
R232通信通信接口电源蜂鸣器驱动
天线耦合电路
天线
单片机
MIFARE读写芯片

图4.1—1 非接触式IC卡读卡器结构框图

4.2 IC卡
4.2.1 IC卡的分类
目前国际上还没有统一的标准。但可供射频卡使用的有ISO10536、ISO14443、ISO1593和ISO18000。而本设计采用的是ISO14443标准。
按照应用领域来分：IC卡可以分为非金融卡和金融卡。按照卡与外界数据传送的方式来分：IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡，而本文主要是介绍非接触式的IC卡。
非接触式IC卡又可分为：
★射频加密式（RF ID）通常又称之为ID卡 。射频卡的信息存取是通过无线电波来完成的。主机和射频间是没有机械接触点的，比如说HID、INDARA、EM之类的等等。
大多数学校使用的饭卡（我们学校就是使用的饭卡）、门禁卡都属于ID卡。
★射频储存卡（RF IC）通常又称之为非接触IC卡 。射频储存卡是通过无线电来存取信息，它是在存储卡的基础上增加了射频的收发电路。比如说MIFARE ONE。
一些城市很久前使用的公交卡、部分学校使用的饭卡都属于射频存储卡[5]。
★ 射频CPU卡（RF CPU）通常又称之为有源卡，是在CPU卡的基础上增加了射频收发电路。CPU卡拥有自己的操作系统COS，这才称得上是真正的智能卡。
大城市的公交卡（成都市）、金融IC卡、极少数学校的饭卡都属于射频CPU卡。
4.2.2 非接触式IC卡的特点
非接触式IC卡通过读写方式与读写设备进行通讯，卡与读卡器之间进行的是无线通讯，采用射频技术只要在额定范围内使用都能识别信息，这样就为我们的生活提供了更便捷的服务。不仅操作快捷而且抗干扰性高，其具体表现在在允许多张卡片同时使用，还具有高可靠性和高安全性，厂家在产品出厂前将特定的序列号固化于卡内芯片中，使用卡时需要与读卡器进行三次相互认证，并且所有数据都加密。
4.2.3 非接触式IC卡的功能组成
本课题采用的非接触式IC卡是philips非接触式IC卡的功能组成如图4.2.3—1所示：

图4.2.3—1 非接触式IC卡的功能组成图

非接触式IC卡又称为射频卡，是感应天线和IC芯片和组成的，芯片和天线是无任何裸露部分得。这项新技术是最近几年才发展起来的，它是将IC卡技术和射频识别技术结合起来的产物，彻底地结束了卡中无电源和非接触这一历史难题，这项技术是一项重大突破。更是为后来IT行业的发展奠定了一定的基础。非接触式IC卡要求卡片在读写器表面大约为5cm—10cm范围内靠近，完成数据的读写操作就可以通过无线电波的传递来执行[6]。
4.2.4 IC卡的技术指标
IC卡的技术指标如表4.2.4—1所示：

图4.2.4—1 非接触式IC卡的技术指标图

参数
外形尺寸
IS0标准卡85.5×54×0.76卡/异形卡
存储容量
8Kbit,16个分区，每分区两组密码
工作频率
13.56MHz
通讯速率
106KBoud
读写距离
2.5~10cm
读写时间
1~2ms
工作温度
-20℃~85℃
擦写寿命
>100,000次
数据保存
>10年
封装材料
PVC、ABS、PET、PETG、0.13mm铜线
封装工艺
超声波自动植线/自动碰焊
执行标准
ISO 14443，ISO 10536
功能
支持一卡多用
典型应用
企业/校园一卡通、公交储值卡、高速公路收费、停车场、小区/园区管理等

4.2.5 非接触式IC卡的优点
非接触式IC卡与读写器之间没有机械的接触，这样就避免的类似于磁码卡的问题。比如:由于不正确的插卡，而导致的不正确卡的外物插入，因为灰尘或者油污而导致接触不良等等故障。除了这些,非接触式卡表面没有裸露芯片，不需要担心芯片的脱落，静电的击穿，弯曲损坏等等问题，便于卡片的印刷，也提高了使用的可靠性[7]。
非接触通讯指的就是读写器在5cm—10cm范围之内就能够对卡片进行操作，所以不需要插拨卡，用户就能轻易操作。使用时非接触式IC卡片时可以在任意方向扫过读写器表面，既省时又省力还省心这样就大大的为生活提供了方便。
非接触式卡的制造厂家在卡片出厂前已经把序列设成唯一的，也就是说卡的序列号已经在出厂前就已经确定,所以不能够更改。读写器和IC卡之间采取的是双向验证，也就是说读写器验证要验证IC卡，IC卡也要验证读卡器。
非接触式卡在处理之前要与读写器进行认证而且得有三次认证，所有的数据在通讯过程中都要加密。此外，卡中中各个扇区都有特定的操作密码和访问条件。
接触式卡的存储器结构特点使它能够一卡多用，这样就能运用于不同系统中，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问的条件。
4.2.6 非接触式IC卡门禁系统主要技术—自动识别技术
自动识别技术是最近几年才发展起来的一项新技术，通过识别装置和被识别物品之间接近活动从而自动的识别物品的相关信息然后提交给计算机来完成操作。它是信息数据自动识读计算机和自动输入计算机的重要方法和手段。
自动识别技术近几年来得到了迅猛的发展，形成了一个包括IC卡技术、射频技术、声音识别技术等等完整的自动识别计算机管理系统还包括自动识别系统、应用程序接口、中间件、应用系统软件。
自动识别技术包括：
★条码技术。
★光学字符识别。
★磁条卡技术。
★IC卡识别技术。
★声音识别技术。
★视觉识别技术。
★射频识别技术。
5 读写芯片选用
由于前面已经选定Philips公司的Mifarel卡为本项目的射频卡，所以射频读写芯片也是选用的来自于Philips公司的芯片产品。MF RC530由于可以支持3．3V电源供电，相对于同类产品来说MFRC500的性价比更高，因此本论文决定选用的就是MFRC500射频读写芯片。
MF RC500是是一种低成本、高集成、高性能的读卡芯片，具有下列的特性：
☆该芯片在13.56MHZ频率下集成了非接触式IC卡的通信方式和通信协议，支持ISOflEC。
☆该芯片提供了一个解调和解码电路，而且是坚固有效的调节解码电路。
6 射频接口电路
6.1 射频技术
射频技术（RF）是Radio Frequency的缩写。无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是射频技术比较常见的应用,是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。常常又被称为感应式电子晶片或感应卡、非接触卡、电子标签、近接卡、电子条码等。射频是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或者电磁场）实现信息之间的传递并能够通过传递的信息来达到识别的目的。其原理是由扫描器发射一特定频率之无线电波能量给接收器。
在射频接口电路中，波形转换模块接收读卡器上的13．56MHZ的无线电调制频率。
系统的主要参数要求如下：
●工作频率：13．56MHz
●通信频率：106K波特率
●防冲突：同一时间可处理多张卡
●读写距离：在100mm(与天线形状有关)能方便、快速传递数据
●半双工通信方式
●数据处理完整且安全
●典型处理时间小于200ms
综合分析了了各项指标。结合本门禁系统的需要。再考虑到成本、技术要求、保密性等等重要因数。本论文参考了所有的门禁系统最终确定了性价比较高的philips公司的mifarel卡，MF RC500读写芯片。因为这个芯片无论是从技术上来讲还是保密性来讲都是性价比较高的。它的特征符合本门禁系统的各项要求[8]。
7 数字电路部分
认证模块：选择一张卡片，程序员在对卡片进行操作前须对卡片上已设的密码进行认证，如果与原信息相符，那么就可以进行下一步的操作。而且必须得进行三遍认证，三遍认证的令牌原理框图如图7—1所示：
(C)
(E)
非接触式IC卡
读写器
MIFARE 1
卡片
（A）RB
(B)TOKEN AB
(D)TOKEN BA

图7—1 三次相互认证的令牌原理框图

8 软件设计
8.1 编程语言的选择
软件是整个门禁控制系统的灵魂，相应的软件编制对系统各项功能的实现起着决定性的作用。选择合适的编程语言就是软件编制的前提也是重中之重。对AT89C52单片机为核心的嵌入式系统而言，所有的控制都是由单片机程序控制实现[9]。
独立式键盘是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下，这种方式的缺点是占用的I/O 口数较多。键盘的抖动问题是对键盘处理的时的一个重要的问题。独立式键盘，如图8.1—1所示：

图8.1—1 独立式键盘图

8．2 主程序设计
软件主程序是系统的监控程序，主要完成初始化，控制程序的流向，调用子程序等功能。其工作流程如图8.2—1所示。上电复位后，程序开始运行[10]。首先是初始化的工作。

图8.2—1 工作流程图

8.3 MF RC500应用子程序设计
8.3.1 AT89C52对MF RC500的初始化
写41H到寄存器RxControl2： 译码源来自内部
写5BH到寄存器TxControl： 使能TXl和TX2脚，设置调制源来自内部
写ADH到寄存器BitPhase： 设置天线的位相值
写OOH到寄存器MfOutSelect： 设MFOUT引脚为低电平
8.3.2 AT89C52对MF RC500的操作
AT89C52是通过对MF RC500的控制来实现对Mi fare l卡的读写操作，所以在软件上我们首先要设计好AT89C52对MF RC500的控制，主要有以下三方面：
(1)设置MF RC500的状态：
(2)通过读MF RC500的状态标志来监视MF RC500的工作情况；
(3)发送命令，要求MF RC500执行相应的动作。
9 结束语
经过两个月的努力，基于IC卡的楼宇门禁系统设计论文终于完成了。在设计的过程中出现了很多难题，但幸好得到了老师的帮助顺利解决了我的难题。写论文之初我对IC卡只有一个模糊的概念，只是单纯的知道我们学校的饭卡就是IC卡。除此之外，对IC卡的概念就是看的那些电影了，不过也仅仅知道怎么使用，具体理论还是不清楚。
因为现在是大三，各方面事情都比较多所以这次论文的时间虽还是多但是写论文和查资料还是显得有些仓促，做得很不完善，在设计过程中由于对程序不是很了解所以做起来还是感觉比较困难，这给实训我提供了很好的经验教训，对自己以后的毕业论文很有帮助。总体上来说这次课程设计还是比较成功的，自己懂得了不少东西，设计题目是基于IC卡的由于门禁系统这对我来说也很有价值对自己以后的生活还是会有帮助，当时选择这个课题时也是这样想的。总之这次实训使我受益匪浅。
在没有写论文之前我根本没想过有天能够清楚的了解离我生活那么近却感觉制作起来很复杂的东西。通过这次的电子实训现在深刻的体会到要做好一件事就必须得有纵观全局的理念。对待难题时得戒骄戒躁，要耐心的运用所学的知识解决问题。人生本就会遇到很多挫折，但只要跨过挫折迎接我们的就是光辉的明天。
本论文的题目是基于IC卡的楼宇门禁系统的设计，在研究的过程中我渐渐的明白原来IC卡离我们的生活是这么的近，现在很多小区都是使用的非接触式的IC卡。只是以前我使用的时候不知名字罢了。这次的论文对我以后的人生有多大意义我现在不敢定，但是比起那些知其然而不知其所以然的人来说我已经是很大的进步了，这次的论文让我对以后的生活充满信心。

参考文献
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[3] 王汝琳: 智能门禁控制系统, 电子工业出版社出版, 2004.5 P12—P90
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[5] 黄筱霞: IC卡门禁系统的设计,北京工商大学学报, 2003.4, P23—P45
[6] 刘丽丽: 非接触式智能卡系统研究与开发,北京化工大学,2004.2，P125-P130
[7] 王为青,程国钢: 单片机KEIL CX51应用开发技术,人民邮电出版社,2007.2, P51－P76 
[8] 李玉梅: 基于MCS-51系列单片机原理的应用设计，国防工业出版社,2006.3, P39－P76
[9] 李群芳、黄 建: 单片机微型计算机与接口技术,电子工业出版社，2001.4, P54－P94 
[10] 陈龙三: 8051单片机C语言控制与应用，清华大学出版社，2002.7, P59－P86

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