基于 RFID 技術的電子密碼鎖的研究及實現(xiàn)

     1．引言

　　隨著信息技術的發(fā)展，人們安全意識的增強，電子鎖技術得到了迅猛的發(fā)展。電子鎖系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，并已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。電子鎖系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了單一密碼鍵盤電子鎖系統(tǒng)、IC 卡電子鎖系統(tǒng)、非接觸式IC 卡電子鎖系統(tǒng)，到現(xiàn)在最新的生物識別系統(tǒng)。其中，非接觸式IC 卡電子鎖系統(tǒng)由于其技術成熟、價格低廉、使用方便等優(yōu)越的性能，已經(jīng)得到了廣泛的應用。本文在對RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議研究的基礎上，提出了一種基于射頻識別技術的非接觸式IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)。

　　2．系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)采用分層次分布式集中控制方案，將所有電子密碼鎖組成一個分布式網(wǎng)絡，其總體結構如圖1 所示。整個系統(tǒng)包括管理中心服務器、用戶樓棟PC、電子密碼鎖三層結構。

　　

圖1 系統(tǒng)結構圖

　　管理中心服務器是整個電子密碼鎖系統(tǒng)的管理和控制中心，同時運行有電子密碼鎖管理 系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用支持網(wǎng)絡通訊的數(shù)據(jù)庫結構，方便功能的擴展。為了達到對 所有電子密碼鎖進行統(tǒng)一安全管理的目的，用戶通過使用非接觸式IC 卡并輸入密碼來打開 電子密碼鎖，并將用戶的IC 卡信息、*時間等存入數(shù)據(jù)庫。管理員通過電子密碼鎖管理 系統(tǒng)程序可以清晰的查詢到每個電子密碼鎖的使用狀態(tài)、進出記錄等。

　　用戶樓棟 PC 采用RS485-TCP/IP 通訊轉換器，負責電子密碼鎖與管理中心服務器的信 息交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能，實現(xiàn)RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議的轉換，本身并不直接控制 電子密碼鎖的動作。它的主要作用是將電子密碼鎖的RS485 信號轉換成為TCP/IP 信號，從 而直接接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)管理中心服務器與電子密碼鎖之間的通訊。

　　3．電子密碼鎖設計

　　3.1 工作原理

　　非接觸式IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)以射頻識別技術為核心，主要使用了一片Mifare 卡專用 的讀寫處理芯片MFRC530。它是一個小型的、最大操作距離達10 厘米的Mifare 卡射頻基 站，其功能包括調制、解調、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防沖撞機制，是與非接觸式IC 卡 實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫非接觸式IC 卡的關鍵接口。 本系統(tǒng)中當有卡進入射頻天線感應區(qū)內(nèi)時，電子密碼鎖讀取非接觸式 IC 卡的卡號，并 將所讀卡號和用戶密碼存入存儲器，同時將用戶卡號及刷卡時間發(fā)送給用戶樓棟PC，并在 LCD 液晶顯示器上顯示用戶信息。當沒有卡進入射頻天線感應區(qū)時，MCU 讀取實時時鐘芯 片中的時間，并在LCD 顯示器上顯示當前時間及日期。

　　3.2 硬件組成

　　每個電子密碼鎖都能獨立完成門狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監(jiān)控、識別卡是否有效、實時監(jiān)控刷卡 動作、控制電子密碼鎖和報警器、讀取鍵盤信息等一系列的操作。電子密碼鎖系統(tǒng)的硬件部 分主要包括射頻基站MFRC530、鍵盤輸入模塊、LCD 液晶顯示、監(jiān)測控制模塊、RS485 通 信接口、時鐘DS1305、信息存儲單元及蜂鳴器報警。電路的硬件框圖如圖2 所示：

　　（1）系統(tǒng)采用單片機STC89C58RD+作為控制芯片，它是電子密碼鎖系統(tǒng)的控制核心， 用來控制并協(xié)調處理電子密碼鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。STC89C58RD+內(nèi)置32K 的Flash 存儲器 和1280 字節(jié)RAM，具有3 個16 位計數(shù)器和一個標準的串行通信口，并具有P4 口、加密 性強、超強的抗干擾性、超低功耗、在線系統(tǒng)可編程和可遠程升級等優(yōu)點。

　?。?）射頻基站模塊采用了飛利浦公司的MFRC530 芯片，MFRC530 是與射頻卡實現(xiàn)無 線通信的核心模塊。它根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調制得到發(fā)送的信號， 通過由TX1，TX2 腳驅動的天線以電磁波的形式發(fā)出去，非接觸式IC 卡采用RF 場的負載 調制進行響應。天線拾取非接觸式IC 卡的響應信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX 腳，MFRC530 內(nèi)部接收緩沖器對信號進行檢測和解調并根據(jù)寄存器的設定進行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到 數(shù)據(jù)總線上等待MCU 讀取。MCU 與MFRC530 采用SPI 總線方式進行通訊，可實現(xiàn)與非接 觸式IC 卡數(shù)據(jù)的無線傳輸。

　?。?）信息存儲單元主要用來存儲用戶的交互信息，并防止出現(xiàn)網(wǎng)絡故障時，影響電子 密碼鎖的正常使用，從而實現(xiàn)電子密碼鎖的隔離性。存儲單元的用戶信息和服務器數(shù)據(jù)庫信 息要求一致。信息存儲單元采用Ramtrom 公司生產(chǎn)的一種鐵電存貯器(FRAM) FM38081，存 儲容量為32k×8bits 的新型FRAM，具有高速讀寫、超低功耗和無限次讀寫等特性，特別適 合那些對數(shù)據(jù)采集、寫入時間要求很高的場合。由于MCU 不具有IIC 總線接口，F(xiàn)M38081 與外部接口需要采用工業(yè)標準IIC 總線，因此本系統(tǒng)采用P2.3 和P2.4 口線來模擬IIC 總線。

　?。?）系統(tǒng)在刷卡時需要記錄刷卡的時間，通過采用美國DALLAS 公司推出的低功耗串 行通信接口專用芯片DS1305 來提供一個準確可靠的時鐘。DS1305 支持通過SPI 串行數(shù)據(jù) 端口或標準的三線接口進行時間的校正和數(shù)據(jù)的讀取，可進行單字節(jié)的連讀字節(jié)束發(fā)方式的 訪問。在本系統(tǒng)中，采用SERMODE 接地、使用三線串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)通信：SCLK 作為時鐘輸入，SDA 作為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，RST 作為通訊允許信號。

　?。?）檢測控制模塊主要是實時監(jiān)測門、鎖狀態(tài)和通訊的狀態(tài)，并執(zhí)行控制器的各種控 制信息，如執(zhí)行*、執(zhí)行報警等；LCD 液晶顯示部分選用以ST7920 為控制器的128×64 帶漢字庫的液晶模塊，用以顯示時間日期及各種狀態(tài)信息，作為人機交互的界面；鍵盤輸入 模塊采用4*4 鍵盤輸入，主要為MCU 提供用戶的輸入信息；蜂鳴器報警部分則為電子密碼 鎖的錯誤狀態(tài)發(fā)出報警的聲音。

　　4．軟件設計

　　電子密碼鎖系統(tǒng)的程序包括：MFRC530 對非接觸式IC 卡的操作程序、MCU與MFRC530 通信中斷處理程序、讀寫時鐘芯片DS1305 及LCD 液晶顯示程序、檢測門和鎖狀態(tài)程序及 存儲器讀寫程序等。電子密碼鎖主程序流程圖如圖3 所示。

圖 3 電子密碼鎖主程序流程圖

　　5.存在的問題及解決方案

　　5.1 分布式結構和集中統(tǒng)一管理相結合

　　建立分布式電子密碼鎖管理系統(tǒng)的一個關鍵技術是分布在不同地方的電子密碼鎖與管 理中心服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。如果電子鎖通過RS485 信號直接和服務器交互信息， 將會導致傳輸距離較短、信息交互速度較慢、抗干擾能力差等問題的發(fā)生。而TCP/IP 協(xié)議 則有傳輸速度快、傳輸距離無限大、通訊質量穩(wěn)定、不易受到外界干擾等優(yōu)點。因此，在實 現(xiàn)過程中，通過使用RS485-TCP/IP 通訊轉換器來實現(xiàn)RS485 和TCP/IP 通訊協(xié)議的轉換， 實現(xiàn)了信息的轉發(fā)。

　　5.2 電子密碼鎖的隔離性

　　在電子密碼鎖系統(tǒng)中，將每個電子密碼鎖的用戶信息（如卡號和密碼）存儲在對應電子 鎖的信息存儲單元中，電子鎖控制器讀取信息存儲單元中的對應用戶信息，并通過和用戶輸 入信息進行比較來判斷當前用戶的合法性，確保管理中心服務器或通信網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，不 會影響電子鎖的使用，實現(xiàn)電子密碼鎖的隔離性。

　　5.3 電子密碼鎖的防沖突性

　　射頻卡有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此電子鎖讀寫器可以“同 時”讀取多張非接觸式射頻卡的卡內(nèi)信息，但實際只讀取了其中一個非接觸式射頻卡，通過 在液晶顯示屏上顯示正在處理的非接觸式射頻卡的卡內(nèi)信息，來提示用戶輸入對應的密碼， 解決了多個非接觸式射頻卡和密碼出現(xiàn)不一致的問題。

　　5.4 系統(tǒng)的安全性

　　對 IC 卡信息的加密是決定IC 卡安全性的關鍵。由于本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的Mifare 卡，它是一種智能卡(smart card),內(nèi)建有中央微處理機(MCU)和ASIC 等，使卡在安全保密性、 認證邏輯、算術運算等微操作控制有序進行。要訪問一個Mifare 類卡的數(shù)據(jù)，首先要完成 認證。Mifare 卡的認證采用三次認證的過程，這個過程可由自動執(zhí)行Authbent1 和Authbent2 命令來實現(xiàn)。采用此法后，可有效防止IC 卡的非法復制與數(shù)據(jù)非法修改。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，通過將非接觸式IC 卡和輸入用戶密碼結合在一起，并做好日志記錄，真正實現(xiàn)了電 子密碼鎖系統(tǒng)的安全性。

　　6.結束語

　　系統(tǒng)采用高性能的控制芯片 STC89C58RD+并結合技術成熟的射頻識別技術，分析了非 接觸式IC 卡電子密碼鎖的硬件組成和軟件設計，提出了一種基于射頻識別技術的非接觸IC 卡電子密碼鎖系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)的設計體現(xiàn)了方便、安全、可靠、高效的電子鎖系統(tǒng) 設計理念，系統(tǒng)功能可以加以擴展，適用于住宅小區(qū)、商場、辦公樓、學校等各種場所。實 踐表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性好。