基于多平臺的RFID門禁控制系統(tǒng)設計

稅科　馮好南

摘要：近年來，RFID自動識別技術發(fā)展迅速，考慮不同平臺的不同特征，本文分別對Arduino、51單片機、樹莓派三個平臺進行實現(xiàn)與對比。通過已經注冊的RFID射頻識別卡進行識別，并建立通訊，實現(xiàn)不同平臺對RFID卡的識別。

關鍵詞：RFID；STC8C52單片機；Arduino；樹莓派；門禁系統(tǒng)

1 引言

因多平臺性能選擇越來越多，人們對RFID開發(fā)的控制平臺有著多種選擇，系統(tǒng)的可靠性，成本的控制，開發(fā)周期長度都應予以綜合考慮。因此為滿學習者需要，滿足人們對開發(fā)平臺的選擇需求，基于多平臺的RFID門禁系統(tǒng)由此產生。

2射頻識別卡與讀卡芯片介紹

2.1 Mifarel射頻IC卡

射頻IC卡選用MIFAREMF1標準卡片，MF1是符合ISO/IEC1443A的非接觸智能卡，卡片上除了IC微型芯片及一個高效率天線外，無任何其他元件。內有高速的CMOS、EEPROM、MCU等。8KBits的EEPROM存儲器空間被劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位，工作頻率為13.56MHz?？ㄆ瑯藴首x寫距離高達10cm，卡與讀寫器之間的通信速率高達106Kbit/s。

2.2 MF RC522讀寫卡芯片

MFRC522是Philips公司推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，集成13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和協(xié)議。MFRC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424kbps。內部發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能直接驅動近操作距離的天線與ISO14443A/ MIFARE卡和應答機的通信。接收器包含解調和譯碼電路，用來處理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和應答機的信號。芯片具有充裕的64字節(jié)的發(fā)送接收緩沖區(qū)，內置CRC協(xié)處理器，帶有靈活高速的串行接口I2C、SPI、Serial UART，方便連接到各類MCU。

3系統(tǒng)結構框架

本系統(tǒng)由中央控制計算機、多平臺開發(fā)板、讀卡模塊、通訊模塊（RS485）、電控鎖、門禁開關等組成。整個系統(tǒng)的核心部分是射頻卡讀卡器/發(fā)卡器，實現(xiàn)與射頻卡的通信，并根據讀卡信息控制電控鎖的開閉，實現(xiàn)門禁系統(tǒng)管理等工作。本系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

讀卡器是門禁系統(tǒng)的核心部分，非接觸式讀卡方式。持卡人只需要將卡片在讀卡器感應區(qū)內快速晃動一下，讀卡器便通過射頻信號與IC卡通訊，認證密碼，讀寫卡中的數據，并將其存入讀卡器系統(tǒng)的儲存器中。整個過程只要有效的刷卡范圍內均可實現(xiàn)門禁管理功能。

本系統(tǒng)射頻卡讀卡器的設計由讀卡模塊、多平臺的單片機、PC機及相應的輔助電路組成。讀卡模塊是該系統(tǒng)讀卡器最重要的工作單元，讀寫芯片MFRC522、天線和天線耦合電路等組成。

3.1 基本工作原理

上電初始化后，讀卡器一直處于尋卡狀態(tài)，一旦檢測到有卡進入感應區(qū)，單片機會控制讀卡芯片發(fā)送出相關性的信號和射頻卡之間開始通訊，讀取射頻卡的信息，然后單片機根據反饋的卡片信息輸出電控制型號，控制電控鎖實現(xiàn)門禁效果；同時，單片機還負責與電腦進行通訊，實時獲取指令和傳輸系統(tǒng)的工作狀態(tài)等功能。下面主要介紹多平臺的性能比較的方面闡述整個系統(tǒng)的設計。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的軟件包括單片初始化（定時器，串口和中斷等），RS232通訊程序設計，MFRC522讀卡串口通訊程序設計等?；贑語言設計操作函數；通過封裝成頭文件和源文件進行系統(tǒng)主程序調用。各個部分程序根據采用的平臺不同，分別基于Arduino IED，Keil uVision4，eclipse 平臺。

4 多平臺實現(xiàn)門禁系統(tǒng)

4.1 基于Arduino開發(fā)板的實現(xiàn)

Arduino開發(fā)板大多數是基于AVR的8位單片機，常見的開發(fā)板基于Atmega328p芯片的UNO，NANO，MINI以及基于Atmega2560芯片的MEGA。Aduino有很強的擴展性，提供了豐富的接口。Arduino開發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，是與硬件平臺相比配的基礎開發(fā)環(huán)境，基于Eclipse。官方自帶語言、函數、庫等，它把AVR單片機的相關設置都參數化，模塊化的庫，使開發(fā)者不必了解底層的編寫就可以開發(fā)項目。

圖3為基于Arduino開發(fā)板實現(xiàn)的門禁系統(tǒng)硬件連接圖，通過MFRC522的編程控制接口與Arduino UNO相連。SCK---Digital 13，MOSI--Digital 11，MISO--Digital 12，IRQ--不用連接，RST--Digital 9。

4.2 基于51單片機開發(fā)板的實現(xiàn)

STC89C51是一種低功耗的CMOS 8位微控制器，使用MCS-51內核，具有512b RAM，8kb Flash，32位I/0接口，4個外部中斷源，一個7位向量4級中斷結構，3個16位定時器。單片機AT89C51的串口通訊有4種方式，可通過編程設置。編程開發(fā)環(huán)境選用Keil uVision4，它是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。

除復位電路、時鐘電路、射頻前端電路等常規(guī)外圍電路外，單片機的P1.3-P1.7口和MFRC522進行數據通信。

4.3 基于樹莓派開發(fā)板的實現(xiàn)

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網接口，可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上。樹莓派開發(fā)板接口結構為，在SPI、I2C、UART三種串行總線協(xié)議中使用SPI串行外設接口。SPI串行外設接口：SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸，在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，速度可達到幾Mbps。

圖4為基于樹莓派開發(fā)板實現(xiàn)的門禁系統(tǒng)硬件連接圖，SDA、SCK、MOSI、MISO、RST接口分別連接樹莓派的GPIO 8、GPIO 11、GPIO10、GPIO 9、GPIO 25接口，使用的RC522的接口有SDA、SCLK、MOSI、MISO、GND、+3.3V、RST。

5 總結

本文在RFID技術相關理論的基礎上，結合電路設計和軟件編程方面的知識，設計出了多平臺的門禁系統(tǒng)。讀卡器硬件主要由讀卡芯片MFRC522、射頻天線、RS232通訊接口以及多平臺微控制系統(tǒng)組成，能讀寫Mifarel非接觸式IC卡。進行多平臺的設計，提高了用戶的選擇性，經測試，不同平臺性能優(yōu)異，同時具有安全性，用戶使用方便，合理管理和控制成本等優(yōu)點，對將來應用提供了良好的參考。

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