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

引 言

由于安全問題越來(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)、寫字樓、校園等公共區(qū)域已廣泛應(yīng)用各類門禁系統(tǒng) [1]。目前使用最為普遍的智能門禁系統(tǒng)分別是密碼式門禁系統(tǒng)、刷卡式門禁系統(tǒng)與采用生物識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)三種。密碼式門禁系統(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)門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在小區(qū)出入口門禁進(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禁管理程序兩部分。其中，門禁控制器是系統(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。門禁管理系統(tǒng)通過(guò)串口與控制器通信，開發(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。

圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

本文門禁管理系統(tǒng)可有效解決日常門禁使用過(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， 開啟小區(qū)門禁 ；

（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）開關(guān)門動(dòng)作，在沒有刷卡開門的動(dòng)作下，可直接按下手動(dòng)開關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)開門 ；

（4）報(bào)警動(dòng)作，當(dāng)用戶卡號(hào)沒有在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢到時(shí)，門無(wú)法開啟，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)，開發(fā)平臺(tái)為主流的單片機(jī)開發(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)以開啟小區(qū)門禁并提示正常出入，不存在則拒絕開啟門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)用戶離開小區(qū)時(shí)無(wú)需刷卡只需通過(guò)按下手動(dòng)開關(guān)鍵即可實(shí)現(xiàn)開門，具體工作流程如圖 2 所示。

2.2 門禁管理程序?qū)崿F(xiàn)

門禁管理程序采用 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。主界面包括門禁管理功能、人員管理、人員添加、遠(yuǎn)程開門。門禁管理功能可設(shè)置門禁時(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。

圖 3 門禁管理程序主界面

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 9600bit/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。串口打開通過(guò) SerialPort.Open（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，打開后即可進(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， intstart，intlength）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)總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時(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。

圖 4 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

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。