基于RFID的新型電子巡更系統(tǒng)設計

王志凌，鐘麗娜，張 卉

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

基于RFID的新型電子巡更系統(tǒng)設計

王志凌，鐘麗娜，張 卉

(南京航空航天大學 金城學院,江蘇 南京 211156)

針對傳統(tǒng)接觸式電子巡更系統(tǒng)掃描速度慢、工作效率低的不足，提出一種基于RFID(Radio Frequency Identification無線射頻識別)的手持離線非接觸式電子巡更系統(tǒng)。該系統(tǒng)由射頻識別模塊、讀卡器控制模塊構(gòu)成的手持巡更機、固定在巡更點處的IC卡和中央管理界面組成，能夠進行了串口通信、數(shù)據(jù)庫管理以及基于LabWindows的管理界面的軟件程序設計。實驗表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)離線非接觸式電子巡更功能，可識別和記錄巡更地點、時間并進行檢查和存儲，具備掃描速度快、無接觸、安全性高、造價低的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

電子巡更系統(tǒng)；射頻識別系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；LabWindows

為了安全管理需要，在一些特定的場所(如小區(qū)、倉庫、博物館、大型商場、工廠、賓館等)經(jīng)常安排專門人員定點定時地進行巡更[1-3]，以保障公共場所和重要場所的安全。傳統(tǒng)的巡更方式是采用人工巡查、紙質(zhì)記錄，這種方式容易受到人為因素的影響，易出現(xiàn)代簽或補簽的問題，后期的巡更數(shù)據(jù)也難以統(tǒng)計和保存；而且巡更工作管理困難，無法準確核實巡更路線和時間，一旦出現(xiàn)問題，管理人員又很難明確責任人。為了克服傳統(tǒng)巡更方式的不足，許多部門、單位都引進了電子巡更系統(tǒng)，以對巡更工作進行科學化、規(guī)范化管理。

電子巡更系統(tǒng)可分為在線式和離線式兩種。在線式巡更系統(tǒng)的優(yōu)點是：巡更人員只需攜帶信息卡，比較輕便，巡更信息可以通過網(wǎng)絡及時上傳，在管理界面上實時顯示巡更情況，對未正常巡更也可以進行提示和報警；缺點是：每個巡更點都必須安裝巡更機，而且必須供電、聯(lián)網(wǎng)、安裝和維護，整體費用高。因此，在線式電子巡更系統(tǒng)較適合安全需求比較高的場合。離線式電子巡更系統(tǒng)通常有接觸式和非接觸式2類。接觸式巡更系統(tǒng)是采用巡更棒作為巡更機，通過巡更棒與安裝在巡更地點信息鈕的接觸而讀取巡邏地點的信息。這種方式的優(yōu)點是無需布線，成本低廉，安裝簡單；缺點是信息鈕與巡更棒接觸，易被損壞，造成信息讀取不準確等問題[4-5]。非接觸式是感應式巡更系統(tǒng)，利用無線射頻技術(shù)，巡更棒與信息鈕之間不用接觸就可以讀取信息，從而解決了接觸式巡更系統(tǒng)的接觸問題。

本文基于RFID(Radio Frequency Identification無線射頻識別)無線射頻技術(shù)，研究并設計了一款離線、非接觸式的電子巡更系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有采集速度快、巡更信息記錄完備以及擴容方便等特點[6]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 RFID技術(shù)簡介

射頻識別RFID技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸式信息傳遞達到自動識別的技術(shù)。它的優(yōu)點是非接觸識別，能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢，適宜條形碼無法使用的惡劣環(huán)境，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100 ms。RFID系統(tǒng)使用的通信頻段范圍為<135 kHz或>300 MHz～GHz級,被識別的物體本身應具有電磁波的接收和發(fā)送裝置。本設計使用13.56 MHz的頻率。

1.2 系統(tǒng)總體設計

基于RFID技術(shù)的電子巡更系統(tǒng)由非接觸式IC卡、手持巡更機和巡更管理主機3部分組成，如圖1所示。每個IC卡在初始化時被分配一個隨機生成的10字節(jié)ID，保證系統(tǒng)內(nèi)所有巡更點對應IC卡的ID都是唯一的。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

巡邏人員手持巡更機到達巡邏點IC卡感應區(qū)時，巡更機將自動讀取巡更點IC卡的ID號并記錄當前時間信息于巡更機內(nèi)，并實時顯示在巡更機液晶屏上。巡更結(jié)束后或以后需要時，可以通過USB或串口將巡更機內(nèi)部的數(shù)據(jù)導入到巡更管理主機。

巡更管理主機安裝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和巡更系統(tǒng)管理軟件，通過RS232或USB接口與巡更機連接，實現(xiàn)通信功能與數(shù)據(jù)管理功能，包括設置巡邏點信息、修改和讀取巡更機內(nèi)記錄、進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計和查詢，以及生成各種報表等。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 非接觸式IC

本設計采用非接觸式IC S50，卡片上包括天線和NXP公司開發(fā)的Mifare1 IC S50系列微晶片，簡稱M1卡。IC卡工作的基本原理是：射頻讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷；在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)。M1卡工作頻率為13.56 MHz，接口標準為ISO/IEC 14443 TYPEA。

M1卡有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)又分為4塊，16個扇區(qū)的64個地址編號為0～63。數(shù)據(jù)塊有兩種作用：一是普通數(shù)據(jù)的存儲，可以讀、寫操作，不需要驗證密碼；二是作為數(shù)值，可以初始化、增、減、讀，需要驗證密碼。每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際的需要設定各自的密碼及存取控制。

2.2 手持巡更機

手持巡更機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括單片機、射頻識別模塊、通訊傳輸模塊以及人機接口(按鍵、顯示、聲音)?？刂撇糠忠詥纹瑱CSTC89C58為核心，通過SPI接口控制射頻識別模塊RC522從而進行IC卡信息的讀取，巡更點信息可存儲于內(nèi)部Flash、內(nèi)部EEPROM或通過IIC接口存儲到外部EEPROM中；巡更管理主機可以通過USB或者RS232讀取巡更點信息。

圖2 手持巡更機硬件框圖Fig.2 Hardware diagram of handheld patrolling machine

2.2.1 單片機STC89C58

STC89C58是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具備32K可編程Flash存儲器，1 280字節(jié)RAM，32位I/O口線，內(nèi)置29 KB EEPROM，3個定時器/計數(shù)器，全雙工串行口，內(nèi)置看門狗和復位電路。

本設計中單片機STC89C58各個端口資源分配如圖3所示：(1)P0口與顯示模塊LCD1602的數(shù)據(jù)傳輸線相連，P2.5、P2.6、P2.7分別與LCD1602的RW、RS、E相連用來控制LCD1602；(2)P1口與矩陣鍵盤相連，高四位控制行，低四位控制列，可根據(jù)設置需求進行按鍵控制設計，最多可以控制16個按鍵；(3)P2口的低五位與RC522相連，用來傳輸從IC卡接收到的數(shù)據(jù)到單片機中；(4)P3口主要用于串口通信，向上位機傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.2 射頻識別模塊

射頻識別模塊包括讀卡器和天線2個部分，讀卡器選用的是NXP公司的MFRC522芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。MFRC522工作頻率為13.56 MHz，由天線驅(qū)動器、調(diào)制器、接收器和放大器構(gòu)成，與主機通信接口支持SPI、I2C或串行UART，本系統(tǒng)中采用SPI方式通信。MFRC522具有低電壓、低功耗、低成本以及體積小等優(yōu)點，非常適合用于手持設備。

圖3 單片機控制原理圖Fig.3 Principle diagram of single-chip microcomputer control

圖4 MFRC522芯片框圖Fig.4 Diagram of the MFRC522 chip

2.2.3 通訊傳輸模塊

手持巡更機巡更完畢后進行考核或者檢查時，通過通訊傳輸模塊和巡更管理主機通訊，并上傳手持巡更機所巡更的巡邏點信息。通訊方式有兩種，一是單片機的UART1經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232轉(zhuǎn)換成232電平與PC機串口進行通信；二是用串口轉(zhuǎn)USB的芯片PL2303將串口轉(zhuǎn)換為USB接口，這樣方便無串口的PC通過USB接口進行數(shù)據(jù)交換。

2.2.4 人機接口

人機接口部分包括輸入顯示模塊(矩陣鍵盤和LCD1602顯示模塊)和聲音提示模塊。

(1)輸入顯示模塊

本系統(tǒng)中輸入操作由矩陣鍵盤來完成，鍵入的數(shù)值通過LCD1602顯示出來。本巡更系統(tǒng)設計的按鍵數(shù)為12個，其中10個用來鍵入巡更人員的編號，1個用于存儲數(shù)據(jù)，1個用于串口通信。矩陣鍵盤的前10個鍵對應于0～9數(shù)字，每按下一個鍵就可以在LCD1602的第2行顯示出來，其電路原理如圖5所示。

圖5 輸入顯示模塊Fig.5 Input display module

(2)聲音提示模塊

蜂鳴器主要用來提示刷卡，每當讀卡器接收到來自巡更點IC的信號時則會鳴響，蜂鳴器電路圖如6所示。BEEP接單片機P3.2端，其工作原理為，當BEEP為低電平時，三極管截止，集電極、發(fā)射極沒有導通電流，故蜂鳴器不響；當基極電壓升高時三極管導通，蜂鳴器發(fā)出聲音。

圖6 聲音提示模塊Fig.6 Voice prompt module

3 軟件設計

本系統(tǒng)軟件分2個部分：一是單片機程序，主要用來實現(xiàn)對讀卡器的控制以及與主機通信；二是上位機軟件，主要是管理巡更信息及系統(tǒng)維護。

3.1 單片機程序

單片機程序流程圖如圖7所示。

圖7 單片機程序流程圖Fig.7 Flow chart of single-chip microcomputer

單片機程序主要實現(xiàn)以下功能：

(1)射頻讀卡功能：通過單片機向RC522芯片內(nèi)的寄存器寫入控制命令來控制RC522識別IC卡，并返回卡號給單片機。

(2)聲音提示功能：將蜂鳴器的BEEP端接在P3.2端，通過給BEEP上高電平讓蜂鳴器鳴響，來提示讀卡成功。

(3)輸入顯示功能：上電后在1602LCD第1行顯示 “WELCOME”，第2行顯示“TOTAL：”和“REST：”。表示總共幾處巡更地點，顯示在“TOTAL：”后面；“REST：”顯示剩余巡更次數(shù)，每刷一次數(shù)字減1。

(4)通訊傳輸功能：將數(shù)據(jù)通過串口傳輸給編好的上位機軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理。

3.2 上位機軟件

上位機軟件功能框圖如圖8所示。

圖8 上位機軟件功能框圖Fig.8 Function block diagram of PC software

上位機軟件主要實現(xiàn)了以下功能：

(1)通信功能：通過串口或USB接口設置巡更機內(nèi)部參數(shù)，如巡更點信息、人員信息以及時間信息等；讀取巡更機內(nèi)部的巡更數(shù)據(jù)；通過巡更機對IC卡進行初始化、錄入信息或修改數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)管理功能：提供對巡更數(shù)據(jù)的查詢、維護及分析功能，并可生成報表。

4 實驗結(jié)果

對設計的電子巡更系統(tǒng)進行實驗測試，設置了5個IC卡信息節(jié)點，進行了信息的讀取、存儲和上位機操作?；赗FID的電子巡更機電路實物圖如圖9所示。

圖9 手持巡更機電路實物圖Fig.9 Circuit physical map of handheld patrolling machine

巡更機可以將巡更信息保存在單片機的EEPROM中，后期可以通過串口或USB口發(fā)送給上位機。在上位機主界面上可以控制打開串口通訊，對錄入的巡更信息進行處理。本系統(tǒng)的上位機界面是采用Labwindows軟件編寫的。圖10所示巡更系統(tǒng)的登陸界面，只有登陸正確賬戶和密碼才能進入巡更系統(tǒng)的主界面；圖11所示為通過串口錄入的巡更信息管理界面，可對巡更信息進行查詢、統(tǒng)計和刪除等操作。

圖10 電子巡更系統(tǒng)上位機登錄界面Fig.10 PC login interface of electronic patrolling system

實驗結(jié)果表明，針對布設的5個IC卡，本文所設計的電子巡更系統(tǒng)能夠全部正確讀取，并可以在系統(tǒng)管理界面上正確顯示，讀取準確、迅速。

5 結(jié) 論

以單片機STC89C58為控制核心，應用射頻識別技術(shù)、LCD1602顯示屏、串口接收發(fā)送技術(shù)，并用Labwindows編寫上位機界面，實現(xiàn)了無接觸

圖11 電子巡更系統(tǒng)信息管理界面Fig.11 Information management interface of electronic patrolling system

式電子巡更功能，并能對巡更信息進行后期處理。具有操作簡單、掃描速度快、數(shù)據(jù)存儲容量大、安全性高、無需接觸、造價低等特點，有廣闊的應用前景。

[1] 趙立輝,金愛然,霍春寶,等.基于RFID技術(shù)的智能小區(qū)巡更系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2013,37(21):88-91.

[2] 司慶忠,蘇曉龍.一種長距離電子巡更系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理, 2008,25 (9):73-76.

[3] 曹婷婷.新型電子巡更系統(tǒng)的設計[D].南京：南京師范大學，2007.

[4] Lu X T, Zhang Z J, Sun Y Q. Design of Intelligent Patrolling System Based on Wireless Networks[J].Computer Engineering and Technology, 2010(2):503-506.

[5] Chen C X,Li L.The Analysis of Struts Framework and its Improvement[J].Computer Applications and Software, 2010,27(1):26-28.

[6] 郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009:129-130.

(責任編輯：張振華)

Design of a New Electronic Patrol System Based on RFID

WANG Zhiling，ZHONG Lina，ZHANG Hui

(Nanhang Jincheng College， Nanjing Jiangsu 211156, China)

Aiming at improving the scanning speed and non-contact work performance, a new electronic patrolling system based on RFID (Radio Frequency Identification) is proposed in this paper. This electronic patrolling system is composed of radio frequency identification module, hand-hold patrol apparatus, IC card fixed at patrol point and central management interface. Based on the hardware platform, serial port communication, database management and principal computer are also designed. The experiment result indicates that the proposed electronic patrolling system can realize off-line and non-contact patrol, which can identify and record patrol point precisely at faster scanning speed. This system also has high safest and low cost characteristics. The experiment results show that the proposed patrol system has broad application prospects.

Electronic patrol system; Radio frequency identification system; Data base; LabWindows

2014-08-14

王志凌(1979-)，女，黑龍江鶴崗人，講師，碩士，主要研究方向為計算機測控技術(shù)、RFID技術(shù)。

TN104

A

1671-5322(2014)04-0032-05