基于RFID的门禁系统

摘要：

本文主要介绍了门禁系统设计的基本背景和设计方法。门禁系统的硬件主要包括六个部分：分别为供电电源、1602液晶屏、按键锁、矩阵键盘、RFID射频模块和STC89C52微控制器。系统软件主要由1602液晶显示程序、RFID射频程序和键盘扫描程序等组成。社区RFID门禁管理系统以51单片机为系统的基础，加上12864液晶屏幕、RFID射频模块和上位机等主要的器件，做到了从下位机刷卡读取从上位机屏幕上显示相关信息的功能。其中，STC89C52作为该系统的“大脑”，它是主控制器，作用是实现把采集到射频信号转化成计算机数据，然后经过串口传输，数据传到电脑后然后通过屏幕进行相关信息的显示。在这个过程中，上位机要调用数据库的数据做比对，假若下位机的数据与数据库中的数据匹配时，将同时发送指令给下位机，此时门禁系统随即开启，上位机把从数据库调用的个人信息显示在屏幕上，用户每次刷卡信息都会由上位机存储到数据库，管理员随时可以查询相关信息。如果数据库中没有匹配的信息，此时上位机就会发出报警提示同时下位机蜂鸣器将做报警提示。

　关键词：STC89C52单片机；门控装置；RFID射频；上位机

　　第1章概述

　　1.1引言

随着科技的日新月异且加速的进步，使人们对自家门锁的安全问题看得越来越重要，那么该如何实现门锁的安全问题，也是我们今天所要讨论的问题。传统的门锁装置需要有相对应的钥匙开锁，但是传统的钥匙极容易被复刻，因此家中被盗的事情经常会发生，而且钥匙携带麻烦，一旦丢失或钥匙被盗，就要对门锁进行彻头彻尾地更换，这给人们的生活带来了极大的不便，其中最重要的就是人身安全问题。门禁系统，是管理着人们进去的一种控制系统。

　1.2绪论

1.2.1课题研究的背景和意义

无线射频识别技术的兴起最先开始于20世纪90年代，它是非接触式自动识别一种技术。

它成功解决了一个难题，即IC卡中无电源利用射频技术在非接触的条件下实现信息识别和交互，这个难题的解决是电子信息技术领域的一个突破[1]。现在到处可见，RFID技术已经在门禁系统、监测系统、智能交通运输控制管理、工业自动化、物流等各种领域和生活的方方面面普及了，而且成了各种行业实现实时监控、自动化生产、便捷化管理和商业智能化必不可少的一部分。

RFID（Radio Frequency Identification的缩写）翻译过来为无线射频识别。它是多项技术的集成体，所涉及到的学科技术包含无线数据传输技术、信息采集处理技术、机械电子自动控制技术、网络数据通信技术、计算机技术等多们学科综合在一起的自动化控制系统。它的起步应用是在不能使用条形码跟踪的特殊工业场合，经过发展后，它常常用于确认、定位和实时跟踪库存产品等其他地方[2]。该技术主要的实现方式是使用标签进入磁场，然后从解读器接收射频信号，此时获得感应电流进而将产品信息发送到存储在芯片，或者是主动发送的频率信号标记，接下来解读器阅读信息并完成解码，最后发送到中央信息系统完成数据的处理。非接触的射频识别其优势非常显著，在工作时，减少了人工干预，且能够实现自动化识别，比起传统的钥匙它还不容易被损伤；在高速运动中亦可识别成功，多个无线电子标签亦可同时识别，因其操作方便、快捷、实惠成为了最受欢迎的门禁系统之一;其次射频标签不怕坏的环境，如油渍、水、灰尘等等，它还可以穿透非金属的物体，其抗干扰能力非常强，这也是它能在门禁系统这个行业中能站得住脚的重要原因。RFID行业可以促进提高社会整体的信息化水平，促进经济可持续发展，节约能源，满足人们日益提高的生活质量，为个人安全、公共安全和国家安全提供一份保障，等等，对我们的生活有着深远的影响。RFID的典型的应用系统主要包括三个部分组成，分别是非接触式IC卡和读卡器以及它的应用系统[3]。

1.2.2RFID国内外现状与前景

随着社会文明的不断进步，科学社会的不断发展，传统的开门方式比如用钥匙开门，逐渐的被智能化的门禁方式所取代。未来最能占据智能门禁市场的无疑就是基于RFID的门禁系统，或许到这里你会说，现在指纹开锁，人脸识别，瞳孔识别难道不是比射频识别的门禁系统更简单，更高效吗？我的回答是，当然，它们肯定都比射频识别更高效。但是无论是指纹开锁还是人脸识别开锁或者是瞳孔识别开锁，它们的造价成本都远高于射频识别的门禁系统。目前在非接触式 IC卡门禁系统方面IC卡和读卡器的销售额占总销售额的30%以上，中国市场上主流产品是飞利浦公司生产的Mifare卡，RFID技术正以更高的频率和更快的响应速度成为新的一股潮流[4]。从全球产业格局来看，西门子、飞利浦等半导体厂商占领了大部分的关于射频识别的芯片市场；微软、IBM、HP等国际巨头主导了RFID的中间件和系统集成研究；Intermec、Symbol、Alien公司主要在天线、RFID标签和读写器等设备及产品形成高的市场占有率[5]。最近这些年RFID技术发展速度相当快，广泛应用于各个领域。从RFID标签的应用总量来看，2016年接近60亿枚，到2023年接近270亿枚，从产值上讲，2016年将超过3.9亿美元，到2023将超过14亿美元[6]。总的来说国内RFID应用与国外的RFID应用相差较大，目前我国的RFID技术应用已经非常广泛，涉及到的领域很多，比如：交通方面的运输管理、军事与安全、门禁系统、用于个人身份的识别和仓储物流等领域。在海外其它国家中，零售和运输物流行业RFID的应用最为普及，零售和物流业在整个市场的总占比可达40%。在零售与服装业，一些龙头企业如麦德龙、Zara和沃尔玛等RFID的应用完成了全面的部署[6]。从中长期的经济发展趋势可以判断，RFID标签的成本会逐渐地降低而人力劳动的成本会慢慢上升；在全球范围内，国际标准趋向于统一，条形码将会被更多领域中RFID标签代替。在零售业领域，RFID技术的应用会越来越广泛，想要提高零售企业的竞争力，掌握RFID技术才是重中之重。未来，基于RFID技术的各项技术，必然会改变人们的生活方式和产业生产运输方式，带动起新一轮的创新应用热潮。

1.2.3课题研究的视角与方法

1.2.3.1设计任务及要求

RFID门禁系统主要由电子标签、阅读器、主控制器、用户终端、继电器等部分组成[7]。

1、本文采用了STC89C52单片机、基于RFID 射频模块、1602液晶、上位机和串口模块独立按键模块等。

2、IC卡通过下位机进行注册和撤销，并且只有注册的IC 卡，然后在输入设定的数字密码才能打开门锁。

3、下位机对已经注册过的IC卡进行刷卡，液晶屏显示刷卡人的卡号，并且通过串口把数据传输到上位机，上位机将对卡号信息与自己的数据库中存储的用户信息进行比较，若卡号存在于上位机的数据库中，则上位机显示用户信息，否则上位机将出现卡号错误的信息，且蜂鸣器会发出警告。若卡号正确，此时刷卡人需要输入八位数的特定密码，若密码正确，则上位机将开门的指令发送给下位机，然后系统开锁，若密码不正确，蜂鸣器依旧会发出警告。

4、上位机具有对用户信息进行查询，也能做增加信息、修改信息和删除等操作；

5、按键在IC卡号输入正确后在进行密码开锁，也可以注册、撤销卡号。

1.2.3.2系统设计方案

该结构设计中利用STC89C52充当主控器，将采集到的射频波信息转化成数据流，并经过串行接口将数据传输到桌面计算机而后显示刷卡人的个人资料。上位机将对下位机资料与资料库比较，假若完全符合数据库系统的资料则发送请输入密码指令给下位机，若刷卡人输入的密码与上位机中储存的密码相一致，则下位机打开门禁系统，且上位机调用资料库显示持卡人的个人资料，上位机将使用者每一次刷卡的信息完成保存。必要时管理员就可以查询存入数据库的信息，非常的方便。与数据库的信息不匹配时上位机会报警提醒，同时下位机的蜂鸣器也做报警提示。上位机的管理员能够统一管理用户信息。为防止刷卡用户的数据丢失的情形，所以系统将自动在数据库中存放数据备份。仅当读卡器的信息与数据库的信息匹配时，才可以在按钮上输入密码以继续进行下一步操作。

第2章RFID原理及组成

　2.1射频识别系统的原理

阅读器通过天线发送射频查询的信号，在信号的覆盖范围内一旦有电子标签进入就会被激活，并且电子标签将把本身的代码经发射天线发射过去。此时系统的接收天线接收来自刚刚电子标签发送的载波信号，进而再经天线调节器传送到阅读器，进行调解、解码后通过电脑主机等发送到后台管理系统实现相应的控制，最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作[8]。

由其工作原理我们不难得知RFID的系统控制与信息处理中心是阅读器，依照它的不同结构以及使用技术能够成为读或读/写设备。一般情况下，一个完整的阅读器包括收发、耦合、控制模块和接口单元。应答器及阅读器用做信息数据交互的通信方式是什么呢？答案就是半双工的通信方式。阅读器用哪种方式输出能量和时序给无源应答器，答案是通过耦合的方式。在实际中能够通过WLAN和以太网完成对目标的识别、实现对采集信息的处理和管理远程传输等诸多的功能[9]。应答器是RFID的信息的载体，耦合线圈、芯片单元等组成的无源单元是构成应答器的主要部分。

在日常生活中，我们都知道非接触式IC卡读写是射频部分的关键部件，非接触式IC卡是通过非接触式IC卡读写来实现数据通信的。但是构成射频部分的主要组成成分是射频读写芯片，这里我们选MFRC522。

MFRC522是 NXP 推出的一款低功耗、封装小、高度集成的非接触式(13.56MHz) 读写卡芯片，它集成了小于 13.56MHz范围的全部类型的被动非接触式通信方式和通信协议[10]。

第一步MFRC522（射频芯片）接到指令（单片机发出的），第二步MFRC522射频模块产生射频载波信号后通过读写器的天线发送到非接触式IC卡上，第三步卡片天线耦合接收信号并对信号的波形变换和滤波整流[11]。第四步卡片内的调制/解调电路负责处理载波信号调制/解调，第五步卡片内的控制模块接着进行相关数据的一个处理[12]。最后已处理好的数据载波信号通过非接触式IC卡内的天线以相同频率发送回MFRC522对信号调制/解调。

如图2.1。

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图2.1 RC522的模型

2.2射频识别系统组成

完整的一套射频识别系统是由Reader（阅读器）、Tag（标签）和Antenna（天线）三个部分组成的[13]。

(1)读写器(Reader)

平常一台读写器应当包含哪些部分？理应含有RF射频电子信号传输模块，控制单元的高频率接收系统模块，除此以外，诸多读/写器也有另外的接口RS232、USB，是希望使得的信息传输到另外的设备开展进一步处理和存储。

(2)标签(Tag)

RFID射频识别系统的核心是数据载体，系统中谐振电容器、集成电路芯片和天线是主要构成部分。RFID能够分成被动标签和主动标签。它被放置在需要识别的项目上，被识别物品的信息在射频识别标签存储着，该信息正常来说能被射频读写器以非接触读／写获取[14]。射频标签与读卡器二者为双向认证，即通过读卡器验证射频标签是否合法，通过射频标签来验证读卡器是否合法。

(3)天线(Antenna)

在射频识别系统中依靠天线产生磁通量来实现能量传送，然后向无源标签提供能量。EMC滤波器、LC谐振电路和天线线圈三者组成13.56 MHz射频天线。

第3章硬件设计

　3.1硬件设计总体框架

智能门禁系统硬件包括电源供电模块、RFID射频模块、按键模块、主控芯片模块，报警模块、上位机模块和液晶显示模块七个主要的部分构成。门禁系统中起到主要控制作用的是STC89C52；每张IC卡的卡号通过液晶显示模块来显示；上位机和下位机的相互通信通过串口模块用来实现；检测IC卡和读出卡号使用射频模块实现；用户的信息用上位机来显示出来，上位机也对用户信息实现管理；3刷卡出现错误则由报警模块来进行提示。如图3.1所示。

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　3.2单片机主控模块

AT89C52（CMOS8 位单片机）的内如含有256B的RAM和 8KB能够反复擦写的程序存储器[11]。它是XAtmel公司生产的，运用了高密度、非易失性的存储技术，能够实现与标准的51系列单片机指令系统通用，鉴于其的灵活性和强大的功能，所以控制领域中得到了非常好的应用[15]。并且其最小系统是由复位电路、晶振电路两部分组成。晶振电路是单片机中最重要的一部分，就如同人体的心脏，当晶振起振后单片机才可以工作，如何让晶振电路正常起振，其决定影响因素是什么呢？答案是电容，起振取决于晶振电路中的电容的数值，其电容大小正常情况下会在22~30uf范围内，在焊接时晶振离着单片机近一点为最佳，是由于离单片机远了后焊接线路可能致使寄生电阻大而限制起振电流，导致电流太小，最终晶振没法正常工作。

复位电路的最主要的作用是防止单片机程序进入死胡同，他可以将单片机恢复到刚才上电的状态。在该电路中，复位引脚是单片机RST、电容大小为10UF,为，默认接低电平，当按下复位键时VDD和单片机RES连通，此时整个系统恢复上电状态。10K电阻的作用是防止短路。如图3.2所示。

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3.3IC卡读卡器工作原理

使用RFID射频模块，当IC卡被RFID模块检测到读入时，两者之间会产生共振，在电磁波的激励作用下内部电容器进行连续充电，产生大约2V的电压，然后将电压发送到单片机识别来读取IC卡的号码。

工作原理如图3.3所示。

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　3.4蜂鸣器报警

蜂鸣器报警主要是为了提醒人们刷卡错误以及对其他人使用无效卡提出警告并同时提醒其他人采取相对应的措施。我们都知道蜂鸣器正常工作所需要的电流比I/O口驱动电流大得多，是由于三极管可以扩大电流，此处需要用到。常见的三级为PNP和NPN两种类型，不同三极管的基级各不相同，相应地它所驱动的电平也不一样。我们选用NPN三极管S8550，当单片机的接口为低电平时导通，这个时候电流可以经过蜂鸣器发出系统报警声；相反，如果单片机的接口为高电平时，此时三极管截止电流无法经过蜂鸣器，无法产生报警声。所以我们可以通过程序来控制引脚的高低电平，实现蜂鸣器声音的开或关。蜂鸣器报警的模块如图3.4所示。

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　3.5独立按键模块

智能门禁检测系统的按键包括打开门禁、注册、撤销、菜单、修改密码以及0~9这十六个独立按键，独立按键一端接到电源GND，另一端接到I/O端口，其默认I/O为高电平。当按下独立按键时，按键与单片机的连接端此时将和GND端连通，单片机I/O变成低电平，同时系统将执行相关的指令。如图3.5所示。

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3.6电源模块

电源模块为整个系统提供电能，本文设计的系统选定5V电源电压，当开关闭合电源的正极和整个电路的正极连通，系统开始处于工作的状态；电源给独立按键模块、射频模块、主控芯片等系统中所有的模块开始供电。而当电源开关断开后，系统随即停止工作，同时在电源的正负极加了一个大小为10uF的电容，它可以起到滤波的作用，从而避免因为电源电压小幅度的波动而影响系统的应用功能。如图3.6所示。

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　3.7串口传输模块

串口采用RS232模块传输，单片机的P30和RS232模块TXD_R连接，P31和RXD_R连接，RS232使用MAX232芯片做电平转化，它把单片机的电平转成RS232串口电平，然后经过串口线与PC端连接起来，实现了单片机与上位机相通信。图3.7为串口模块电路图。

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第4章软件部分

　4.1主程序流程框

对门禁系统执行上电操作，初始化系统中的每个模块。下位机将不停地检测是否按下了独立键中的菜单键。门禁系统将随着菜单按键被按下时进入主页面，液晶屏上也会显示出请输入密码，这时，用户可以通过使用IC卡或者在独立按键上输入密码，来打开门禁。当用户使用IC卡打开门禁，且将IC放到了射频模块上时，射频模块能够检测到IC卡的读入动作，随后主控制芯片将射频信号转化成数字，然后在液晶界面上显示出来，同时它将数字经过串口模块传送给上位机调用数据库，从access中查找对应的那个卡号。当找到时，上位机将调用对应个人信息在上位机界面上显示出来，同时就会发送对应的指令，以此来控制门禁的开关；假如没有找到符合的信息，上位机触发报警程序使蜂鸣器长响一声，以此来达到提示的作用。

　4.2液晶显示程序

对于智能门禁信息管理系统来说，它的液晶屏显示用户的卡号是其主要用处，IC卡靠近时射频模块会检测到读入信息，个人的相关信息将通过它显示出来，当IC卡远离时液晶屏幕将恢复到初始的主界面状态。在液晶屏幕上用户的注册和撤销的状态也能够显示出来，液晶显示流程图，如图4.2所示。

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图4.2 液晶显示流程图

　4.3上位机

上位机在系统中主要起到了存储功能，另外用户可以通过上位机对信息进行增加、删除、查询、修改等。上位机工作流程：每次刷卡会通过串口，从下位机把数据传送到上位机中去，而且上位机将调用存储的数据然后将用户信息显示到上位的机界面上去，同时把用户的刷卡信息存储到数据库里面，方便信息的查询。如图4.3所示。

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　4.4门禁信息管理

点击上位机信息管理则出现如图实验室系统的界面，界面显示姓名、密码、刷卡时间和卡号等信息；用户可以菜单按键对门禁的信息修正，包括删除、修改和增加，待对门禁信息编辑检查好后再点击确定按键，此时系统将编辑好的信息自动保存到数据库ACCESS里面,然后点击刷新，之后按钮界面将立马自动更新，此时刚才编辑内容将显示出来。如图4.4所示。

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总结与展望

在准备整个的毕业设计过程中，我深深地感知到了自己相关知识的匮乏，通过查看相关资料和课本，我对基于RFID的门禁系统有了进一步的了解。本次毕业设计设计了一款简单的智能门禁管理系统，主要分为硬件和软件部分：智能门禁系统硬件包括电源供电模块、RFID射频模块、按键模块、主控芯片模块，报警模块、上位机模块和液晶显示模块七个主要的部分构成。门禁系统中起到主要控制作用的是STC89C52；每张IC卡的卡号通过液晶显示模块来显示；上位机和下位机的相互通信通过串口模块用来实现；检测IC卡和读出卡号使用射频模块实现；用户的信息用上位机来显示出来，上位机也对用户信息实现管理；刷卡出现错误则由报警模块来进行提示。软件部分;门禁系统将随着菜单按键被按下时进入主页面，液晶屏上也会显示出请输入密码，这时，用户可以通过使用IC卡或者在独立按键上输入密码，来打开门禁。当用户使用IC卡打开门禁，且将IC卡放到了射频模块附近时，射频模块能够检测到IC卡的读入动作，随后主控制芯片将射频信号转化成数字，然后在液晶界面上显示出来，同时它将数字经过串口模块传送给上位机调用数据库，从access中查找对应的那个卡号。当找到时，并调出储存在上位机的信息显示在显示屏上，如果不符合上位机中的数据库中存储的信息，则蜂鸣器会发生警告，如果信息符合上位机中的数据库中存储的信息，但是用户密码输入错误，则蜂鸣器依旧会发出警告。

这次的毕业设计对于我个人来说是一个非常大的挑战，特别是结合了硬件和软件的设计。因为自己的动手能力不是特别强，在硬件设计和画图的过程当中吃到了不少的苦头，在程序的编写上面也经历了各种语法错误等等。毕业设计虽然要求独立完成，但是我想说的是，如果没有老师的帮助，和朋友间的相互交流我可能也没有机会站在大家面前。特别是在准备毕业设计的过程中遇到了新型肺炎疫情的影响导致我们迟迟不能返校，做毕业设计时有诸多的不便，再次感谢老师和同学们的帮助。接下来我再来谈一下本次设计的不足之处，在上位机的信息录入方面还可以添加更多的用户信息，在门禁方面还可以添加指纹解锁人脸识别或瞳孔识别等新型解锁方式，另外使用IC卡也同样存在着一些潜在危险如RFID的标签加密问题：有些DSTRFID标签配备了40位加密功能，并且是半被动的，网络罪犯使用各种加密方法恢复了密钥，然后他们设法收集了一个大型阵列，可以在1.5小时内解密45个密钥[16]。解决方法：在一个对象中使用多个标签以增加对手发起攻击的难度[17]。

致谢

本次毕业设计让我感受到了学以致用的骄傲，在我往后的生活中我也一定会牢牢地记住这份自豪与骄傲，让其成为我工作中的动力源泉，让我有自信地去面对处理任何事情和困难。在这次的毕业设计里我懂得了不管做什么事情都要持之以恒的道理！做的过程碰到了许多问题，每次都有一种坚持不下去的感觉，在大学里的四年时光，说实话备战考研和准备毕业设计是最令我感到充实的时光，在准备毕业设计的过程中，我很后悔自己在大一大二的时候没有参加学院里的实验室，没有跟着老师做项目，没有参加竞赛，真的是书到用时方恨少，在每一次要坚持不下去的时候，想想当时大一大二浪费的时光，真的从内心产生了深深的懊悔，如果当时的我没有那么自卑，有勇气，有自信，勇敢的去学院里的实验室报名，那肯定比现在的我优秀多了吧。如果可以，我想要劝戒学弟学妹们，大把的时间不要浪费在在宿舍玩游戏或看电影，每天上课也不要在教室玩手机，其实认真听讲真的很有用，特别是对未来有追求的同学。在课堂上老师教的都是大部分理论知识，这为实际操作奠定了理论基础，但是相比较与理论课实际操作相对少很多，然而这次毕业设计是要理论和实际相结合的过程，能顺利的完成多亏了老师和同学们的帮助，在老师和同学的帮助下我受益匪浅，从中了解到了很多也学习到了许多，真的非常感谢老师们和同学们的帮助。

在这里我要感谢我的毕设指导老师对我的指导。从论文的选题、框架构思、草稿撰写到最终的定稿等，毕业设计中遇到的很多问题，老师都会耐心的指导和帮助我，让我的毕业设计能够顺利的完成。老师平时对指导学生认真负责和风趣幽默的态度、对专业性知识的求真精神以及严谨的学风；这些都是值得我终生学习的。其次，感谢学院的全体领导和老师，正是他们的辛勤的教导，让我学到了专业的自动化知识，掌握了扎实的专业技能，为将来的工作打好基础。虽说其中也遇到很多没有想象到的困难，但是这次的毕业设计让我深刻体会到了遇到难题就一定要尽快解决，一拖再拖只能让难题变得更加困难，老师们对我们提出的很多疑难问题都非常及时地解答，这也让我们养成了不拖延问题马上解决问题的好习惯。

当然，我的同学们、朋友们都给予我了很大的帮助！他们的一个小举动小关心都是我能够顺利做完这次作品设计的一个强大助力，在今后，我会带着对大家的感谢以及大家的对期望去创造属于我的一片天空，再次谢谢各位！

文献引用

[1]郇新,李海玉.RFID技术探索[ J ].科学与财富,2011,23(8)：132—1 33．

[2]张殿东.无线射频识别（RFID）技术[J].电信技术,2005(2):86-88.

[3]游战清,李苏建.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004:23-25.

[4]叶晨.基于RFID的智能门禁系统设计[J].信息系统工程,2018(06):34-36.