基于RFID技術(shù)的電子密碼鎖的研究及實現(xiàn)

1．引言

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們安全意識的增強，電子鎖技術(shù)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(shù)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(yīng)用。本文在對RS485和TCP/IP通訊協(xié)議研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于射頻識別技術(shù)的非接觸式IC卡電子密碼鎖系統(tǒng)。

　　2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(luò)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)包括管理中心服務(wù)器、用戶樓棟PC、電子密碼鎖三層結(jié)構(gòu)。

　　

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　管理中心服務(wù)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(luò)通訊的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換器，負責(zé)電子密碼鎖與管理中心服務(wù)器的信息交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實現(xiàn)RS485和TCP/IP通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)器與電子密碼鎖之間的通訊。

　　3．電子密碼鎖設(shè)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(shù)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(diào)制、解調(diào)、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(guān)鍵接口。本系統(tǒng)中當(dāng)有卡進入射頻天線感應(yīng)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(dāng)沒有卡進入射頻天線感應(yīng)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(dāng)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：

　?。?）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(diào)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(shè)定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號，通過由TX1，TX2腳驅(qū)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(diào)制進行響應(yīng)。天線拾取非接觸式IC卡的響應(yīng)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(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)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(luò)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(wù)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。

　　（4）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(shè)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(jié)構(gòu)和集中統(tǒng)一管理相結(jié)合

　　建立分布式電子密碼鎖管理系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)是分布在不同地方的電子密碼鎖與管理中心服務(wù)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(wù)器交互信息，將會導(dǎo)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(zhì)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(zhuǎn)換器來實現(xiàn)RS485和TCP/IP通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了信息的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用戶信息，并通過和用戶輸入信息進行比較來判斷當(dāng)前用戶的合法性，確保管理中心服務(wù)器或通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(guān)鍵。由于本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的Mifare卡，它是一種智能卡(smartcard),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(shù)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(fù)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(jié)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(jié)束語

　　系統(tǒng)采用高性能的控制芯片STC89C58RD+并結(jié)合技術(shù)成熟的射頻識別技術(shù)，分析了非接觸式IC卡電子密碼鎖的硬件組成和軟件設(shè)計，提出了一種基于射頻識別技術(shù)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(shè)計體現(xiàn)了方便、安全、可靠、高效的電子鎖系統(tǒng)設(shè)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(xué)校等各種場所。實踐表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、實時性好。 蜂鳴器相關(guān)文章:蜂鳴器原理