基于RFID技術(shù)的電子密碼鎖的研究及實(shí)現

1．引言

　　隨著(zhù)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。電子鎖系統早已超越了單純的門(mén)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。電子鎖系統的發(fā)展經(jīng)歷了單一密碼鍵盤(pán)電子鎖系統、IC卡電子鎖系統、非接觸式IC卡電子鎖系統，到現在最新的生物識別系統。其中，非接觸式IC卡電子鎖系統由于其技術(shù)成熟、價(jià)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(shù)的非接觸式IC卡電子密碼鎖系統。

　　2．系統結構

　　系統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(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )，其總體結構如圖1所示。整個(gè)系統包括管理中心服務(wù)器、用戶(hù)樓棟PC、電子密碼鎖三層結構。

　　

圖1系統結構圖

　　管理中心服務(wù)器是整個(gè)電子密碼鎖系統的管理和控制中心，同時(shí)運行有電子密碼鎖管理系統程序和數據庫。數據庫采用支持網(wǎng)絡(luò )通訊的數據庫結構，方便功能的擴展。為了達到對所有電子密碼鎖進(jìn)行統一安全管理的目的，用戶(hù)通過(guò)使用非接觸式IC卡并輸入密碼來(lái)打開(kāi)電子密碼鎖，并將用戶(hù)的IC卡信息、*時(shí)間等存入數據庫。管理員通過(guò)電子密碼鎖管理系統程序可以清晰的查詢(xún)到每個(gè)電子密碼鎖的使用狀態(tài)、進(jìn)出記錄等。

　　用戶(hù)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(wù)器的信息交互，實(shí)現數據轉發(fā)的功能，實(shí)現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(dòng)作。它的主要作用是將電子密碼鎖的RS485信號轉換成為T(mén)CP/IP信號，從而直接接入局域網(wǎng)，實(shí)現管理中心服務(wù)器與電子密碼鎖之間的通訊。

　　3．電子密碼鎖設計

　　3.1工作原理

　　非接觸式IC卡電子密碼鎖系統以射頻識別技術(shù)為核心，主要使用了一片Mifare卡專(zhuān)用的讀寫(xiě)處理芯片MFRC530。它是一個(gè)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(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是讀寫(xiě)非接觸式IC卡的關(guān)鍵接口。本系統中當有卡進(jìn)入射頻天線(xiàn)感應區內時(shí)，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(hù)密碼存入存儲器，同時(shí)將用戶(hù)卡號及刷卡時(shí)間發(fā)送給用戶(hù)樓棟PC，并在LCD液晶顯示器上顯示用戶(hù)信息。當沒(méi)有卡進(jìn)入射頻天線(xiàn)感應區時(shí)，MCU讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中的時(shí)間，并在LCD顯示器上顯示當前時(shí)間及日期。

　　3.2硬件組成

　　每個(gè)電子密碼鎖都能獨立完成門(mén)狀態(tài)和鎖狀態(tài)的監控、識別卡是否有效、實(shí)時(shí)監控刷卡動(dòng)作、控制電子密碼鎖和報警器、讀取鍵盤(pán)信息等一系列的操作。電子密碼鎖系統的硬件部分主要包括射頻基站MFRC530、鍵盤(pán)輸入模塊、LCD液晶顯示、監測控制模塊、RS485通信接口、時(shí)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：

　?。?）系統采用單片機STC89C58RD+作為控制芯片，它是電子密碼鎖系統的控制核心，用來(lái)控制并協(xié)調處理電子密碼鎖系統的數據信息。STC89C58RD+內置32K的Flash存儲器和1280字節RAM，具有3個(gè)16位計數器和一個(gè)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(xiàn)系統可編程和可遠程升級等優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）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(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊。它根據寄存器的設定對發(fā)送緩沖區中的數據進(jìn)行調制得到發(fā)送的信號，通過(guò)由TX1，TX2腳驅動(dòng)的天線(xiàn)以電磁波的形式發(fā)出去，非接觸式IC卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。天線(xiàn)拾取非接觸式IC卡的響應信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路送到RX腳，MFRC530內部接收緩沖器對信號進(jìn)行檢測和解調并根據寄存器的設定進(jìn)行處理。處理后的數據發(fā)送到數據總線(xiàn)上等待MCU讀取。MCU與MFRC530采用SPI總線(xiàn)方式進(jìn)行通訊，可實(shí)現與非接觸式IC卡數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。

　?。?）信息存儲單元主要用來(lái)存儲用戶(hù)的交互信息，并防止出現網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)，影響電子密碼鎖的正常使用，從而實(shí)現電子密碼鎖的隔離性。存儲單元的用戶(hù)信息和服務(wù)器數據庫信息要求一致。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(xiě)、超低功耗和無(wú)限次讀寫(xiě)等特性，特別適合那些對數據采集、寫(xiě)入時(shí)間要求很高的場(chǎng)合。由于MCU不具有IIC總線(xiàn)接口，FM38081與外部接口需要采用工業(yè)標準IIC總線(xiàn)，因此本系統采用P2.3和P2.4口線(xiàn)來(lái)模擬IIC總線(xiàn)。

　?。?）系統在刷卡時(shí)需要記錄刷卡的時(shí)間，通過(guò)采用美國DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專(zhuān)用芯片DS1305來(lái)提供一個(gè)準確可靠的時(shí)鐘。DS1305支持通過(guò)SPI串行數據端口或標準的三線(xiàn)接口進(jìn)行時(shí)間的校正和數據的讀取，可進(jìn)行單字節的連讀字節束發(fā)方式的訪(fǎng)問(wèn)。在本系統中，采用SERMODE接地、使用三線(xiàn)串行方式與單片機進(jìn)行數據通信：SCLK作為時(shí)鐘輸入，SDA作為串行數據輸入和輸出，RST作為通訊允許信號。

　?。?）檢測控制模塊主要是實(shí)時(shí)監測門(mén)、鎖狀態(tài)和通訊的狀態(tài)，并執行控制器的各種控制信息，如執行*、執行報警等；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(shí)間日期及各種狀態(tài)信息，作為人機交互的界面；鍵盤(pán)輸入模塊采用4*4鍵盤(pán)輸入，主要為MCU提供用戶(hù)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(xiě)時(shí)鐘芯片DS1305及LCD液晶顯示程序、檢測門(mén)和鎖狀態(tài)程序及存儲器讀寫(xiě)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(wèn)題及解決方案

　　5.1分布式結構和集中統一管理相結合

　　建立分布式電子密碼鎖管理系統的一個(gè)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)器之間的數據傳輸方式。如果電子鎖通過(guò)RS485信號直接和服務(wù)器交互信息，將會(huì )導致傳輸距離較短、信息交互速度較慢、抗干擾能力差等問(wèn)題的發(fā)生。而TCP/IP協(xié)議則有傳輸速度快、傳輸距離無(wú)限大、通訊質(zhì)量穩定、不易受到外界干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，在實(shí)現過(guò)程中，通過(guò)使用RS485-TCP/IP通訊轉換器來(lái)實(shí)現RS485和TCP/IP通訊協(xié)議的轉換，實(shí)現了信息的轉發(fā)。

　　5.2電子密碼鎖的隔離性

　　在電子密碼鎖系統中，將每個(gè)電子密碼鎖的用戶(hù)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(hù)信息，并通過(guò)和用戶(hù)輸入信息進(jìn)行比較來(lái)判斷當前用戶(hù)的合法性，確保管理中心服務(wù)器或通信網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，不會(huì )影響電子鎖的使用，實(shí)現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數據干擾，因此電子鎖讀寫(xiě)器可以“同時(shí)”讀取多張非接觸式射頻卡的卡內信息，但實(shí)際只讀取了其中一個(gè)非接觸式射頻卡，通過(guò)在液晶顯示屏上顯示正在處理的非接觸式射頻卡的卡內信息，來(lái)提示用戶(hù)輸入對應的密碼，解決了多個(gè)非接觸式射頻卡和密碼出現不一致的問(wèn)題。

　　5.4系統的安全性

　　對IC卡信息的加密是決定IC卡安全性的關(guān)鍵。由于本系統采用PHILIPS公司的Mifare卡，它是一種智能卡(smartcard),內建有中央微處理機(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(jìn)行。要訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)Mifare類(lèi)卡的數據，首先要完成認證。Mifare卡的認證采用三次認證的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可由自動(dòng)執行Authbent1和Authbent2命令來(lái)實(shí)現。采用此法后，可有效防止IC卡的非法復制與數據非法修改。在系統實(shí)現過(guò)程中，通過(guò)將非接觸式IC卡和輸入用戶(hù)密碼結合在一起，并做好日志記錄，真正實(shí)現了電子密碼鎖系統的安全性。

　　6.結束語(yǔ)

　　系統采用高性能的控制芯片STC89C58RD+并結合技術(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卡電子密碼鎖系統的解決方案。本系統的設計體現了方便、安全、可靠、高效的電子鎖系統設計理念，系統功能可以加以擴展，適用于住宅小區、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等各種場(chǎng)所。實(shí)踐表明，系統運行穩定、實(shí)時(shí)性好。 蜂鳴器相關(guān)文章:蜂鳴器原理