基于RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)樓智能安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

     近年來(lái)，校園財(cái)產(chǎn)管理難度逐漸增大，偷盜現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。尤其是實(shí)驗(yàn)樓集中了大量的貴重財(cái)產(chǎn)，一旦失盜，損失不少。目前一些學(xué)校實(shí)驗(yàn)樓在保安方面主要以保安員值勤及巡邏為主，在一定程度上取決于保安員的素質(zhì)，受人為因素影響較大。本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)樓智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用STC89C52RC單片機(jī)板作為信號(hào)控制平臺(tái)，結(jié)合PC機(jī)上應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多功能、開(kāi)放式、操作簡(jiǎn)捷、性價(jià)比高的智能身份管理的安全系統(tǒng)。

1 RFID技術(shù)分析

1．1 RFID技術(shù)及應(yīng)用
      RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種高級(jí)形式，它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。與磁卡、IC卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、讀取距離大、數(shù)據(jù)加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，RFID技術(shù)正逐漸的被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸控制管理等領(lǐng)域。
1．2 RFID系統(tǒng)組成及原理
       射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本模型如圖1所示，主要由讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽組成。 

圖1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本組成

     讀寫(xiě)器(Reader)又稱為閱讀器、讀卡器、讀頭等，主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時(shí)接受來(lái)自于主機(jī)系統(tǒng)的控制指令。讀寫(xiě)器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線部分組成。此外，許多讀寫(xiě)器還都有附加的接口(RS232，RS485，USB)，以便將所獲的數(shù)據(jù)傳輸給另外的系統(tǒng)作進(jìn)一步的處理或存儲(chǔ)。讀寫(xiě)器把從上位機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密后寫(xiě)入標(biāo)簽中、將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到上位機(jī)。 
     電子標(biāo)簽(Electronic Tag)又稱應(yīng)答器、射頻卡、數(shù)據(jù)載體等，是指由IC芯片和無(wú)線通信天線組成的模塊超微型的小標(biāo)簽，主要由天線、諧振電容以及IC芯片組成，標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，其內(nèi)置的射頻天線用于和讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。 
     射頻識(shí)別系統(tǒng)中電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)無(wú)接觸耦合；在耦合信道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)出查詢信號(hào)，電子標(biāo)簽收到查詢信號(hào)后將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，另一部分能量信號(hào)被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回讀寫(xiě)器。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      系統(tǒng)主要由MCU、RFID讀寫(xiě)器、門(mén)禁執(zhí)行機(jī)構(gòu)、攝像頭及報(bào)警器等模塊組成。通過(guò)相關(guān)軟件的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樓出人口人員進(jìn)出統(tǒng)一管理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
     系統(tǒng)采用先進(jìn)的被動(dòng)式紅外探測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)攝像)和主動(dòng)式RFID技術(shù)對(duì)被保護(hù)區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格的進(jìn)出入檢測(cè)，并通過(guò)聯(lián)動(dòng)將流動(dòng)人員圖像存人DVR(硬盤(pán)錄相機(jī))中，同時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，并及時(shí)通知管理中心。在整個(gè)過(guò)程中，無(wú)須人來(lái)控制，一切均自動(dòng)完成。由于有具體的記錄，對(duì)安全防盜起到了十分積極的作用。如果管理員進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)，可以通過(guò)RFID卡來(lái)取消現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．2 讀寫(xiě)和控制模塊

      該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是讀寫(xiě)器，它由微處理器、外圍擴(kuò)展器件、讀寫(xiě)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(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。讀寫(xiě)器是由STC89C52RC型單片機(jī)控制專用讀寫(xiě)芯片(MFRC500)組成。其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。當(dāng)校園卡(電子標(biāo)簽)置于讀寫(xiě)器上時(shí)，讀寫(xiě)器中的讀卡芯片MF RC500立即讀取該卡的卡號(hào)并選通讀寫(xiě)器控制器STC89C52RC，通過(guò)三層身份驗(yàn)證，讀取卡內(nèi)數(shù)據(jù)形成用戶號(hào)，并將該用戶號(hào)傳給PC機(jī)客戶端程序，應(yīng)用程序連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶信息表獲取與該卡號(hào)對(duì)應(yīng)的讀者信息。如果身份合法，則通道打開(kāi)并提示歡迎信息，應(yīng)用程序產(chǎn)生進(jìn)門(mén)刷卡記錄存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，否則提示出錯(cuò)、拒絕進(jìn)入。

圖3 讀寫(xiě)和控制模塊原理圖

2．3 攝像模塊
     本系統(tǒng)的攝像模塊為黑白／彩色圖像微型攝像頭，攝像頭的功能是用于圖像拍攝，當(dāng)讀卡判斷結(jié)果為非法進(jìn)人時(shí)，就啟動(dòng)攝像頭，將進(jìn)人者拍攝下來(lái)，并將其記錄在DVR存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)USB接口傳送給PC機(jī)顯示和保存 J。
2．4 執(zhí)行模塊 
     電控磁鎖是門(mén)禁系統(tǒng)的執(zhí)行部件，電控磁鎖在斷電時(shí)呈開(kāi)門(mén)狀態(tài)，符合消防要求。由讀卡器中MCU根據(jù)刷卡情況發(fā)出控制信號(hào)控制，密碼認(rèn)證通過(guò)開(kāi)門(mén)，否貝4不開(kāi)門(mén)，在讀卡器上用喇叭來(lái)仿真。 

3 軟件設(shè)計(jì)
     主控計(jì)算機(jī)(上位機(jī))上的軟件分為兩大部分：主應(yīng)用程序和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。該應(yīng)用程序是在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上，以Delphi7．0作為前端開(kāi)發(fā)工具，采用SQL Server 2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。
3．1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊
     數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是程序運(yùn)行的基礎(chǔ)。考慮到實(shí)驗(yàn)樓人員較多，從而導(dǎo)致記錄數(shù)不確定且數(shù)目較大，所以我們選擇了功能強(qiáng)大的SQLServer 2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)_3】。該數(shù)據(jù)庫(kù)能隨著記錄的增加，動(dòng)態(tài)地分配存儲(chǔ)空間，從而可以很好地滿足上述場(chǎng)合的需求。根據(jù)系統(tǒng)需要，設(shè)置了以下數(shù)據(jù)表，包括實(shí)驗(yàn)用戶資料表、操作員信息表、時(shí)段限制信息表、進(jìn)出時(shí)間表等。
3．2 主程序設(shè)計(jì)模塊
     當(dāng)有射頻卡進(jìn)人距離射頻天線100mm內(nèi)，讀寫(xiě)器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)單片機(jī)要將所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂鳴器嗚叫一聲。并將卡片數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間一起存人單片機(jī)內(nèi)的EEPROM，并在LED顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。沒(méi)有卡進(jìn)人讀寫(xiě)器工作范圍時(shí)，在顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間。若讀卡出錯(cuò)，顯示出錯(cuò)標(biāo)志。在與上位機(jī)通訊時(shí)，將單片機(jī)內(nèi)部EEPROM存人的信息發(fā)往上位機(jī)。
     程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言和KeilC51混合編程?？撮T(mén)狗定時(shí)器中斷服務(wù)程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其它程序采用c語(yǔ)言編寫(xiě)。程序的每一部分按模塊化設(shè)計(jì)成一個(gè)文件，單獨(dú)調(diào)試通過(guò)后，再在KeilC51環(huán)境下加入到工程文件中匯編生成HEX文件，用仿真器進(jìn)行仿真通過(guò)后，寫(xiě)入STC89C52芯片中脫離仿真器運(yùn)行。

其模塊部分源程序如下：
／／尋卡、防沖突、選擇卡、返回卡類型
(2bytes)+卡系列號(hào)(4bytes)
charM500PiccCommonRequest(unsigned char
req_code，unsigned char atq)
{
Char idata status=MI—OK；
／／狀態(tài)為正常
M500PcdSetTm0(3)；
／／設(shè)定RC500工作模式
WritelO(RegChannelRedundancy，0x03)；
／／禁能RxCRC，TxCRC，使能奇偶校驗(yàn)
C1earBitMask(RegControl，0x08)；
／／關(guān)閉加密單元
WritelO(RegBif’raming，0x07)；
／／寫(xiě)入接收無(wú)錯(cuò)誤標(biāo)志
SetBitMask(RegTxControl，0x03)；
／／開(kāi)啟TX2管腳輸出13．56MHz反相能量
載波
ResetInfo(MInfo)；
／／初始化參數(shù)
SerBufer[0]=req_code；
／／設(shè)置請(qǐng)求模式
MInfo．nBytesToSend=1；
／／要求發(fā)送
status=MSOOPcdCmd(PCD—TRANSCEIVE，
SerBufer，&Mlnfo)；
∥ 與RCS00通訊將SerBufer數(shù)據(jù)發(fā)送出去，
返回狀態(tài)
if(status)
{
atq=O；／／將數(shù)據(jù)清0
}
Else
{
if(MInfo．nBitsReceived!=16)
{
atq 0：
status=MI—
BITCOUNTERR；／／返回錯(cuò)誤
}
Else
{
status=MI
— OK；／／狀態(tài)為正常
memcpy(atq，SerBufer，2)；／／內(nèi)存拷貝，從
SerBufer開(kāi)始，拷貝2個(gè)到atq
}
}
retum status；／／返回狀態(tài)

結(jié)束語(yǔ)

      本設(shè)計(jì)引進(jìn)RFID這種新興的、突破性的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在有效地識(shí)別進(jìn)入人員身份的基礎(chǔ)上，采用MCU控制微型攝像頭的方式記錄非法進(jìn)入人員的圖像，保存了豐富的現(xiàn)場(chǎng)資料，提高了系統(tǒng)的安全防護(hù)能力。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，可以方便地移植到各種重要場(chǎng)所的安全控制管理系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)不僅綜合了防盜、門(mén)禁和考勤等多方面的功能，還可以和學(xué)校基于RFID技術(shù)的學(xué)生餐卡、水電表預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)、圖書(shū)管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而逐步實(shí)現(xiàn)校園一卡通工程，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

(責(zé)任編輯：劉康民)