基于RFID技術的實驗樓智能安全管理系統設計

引 言

     近年來，校園財產管理難度逐漸增大，偷盜現象時有發生。尤其是實驗樓集中了大量的貴重財產，一旦失盜，損失不少。目前一些學校實驗樓在保安方面主要以保安員值勤及巡邏為主，在一定程度上取決于保安員的素質，受人為因素影響較大。本文設計了一種基于RFID技術的實驗樓智能管理系統。該系統利用STC89C52RC單片機板作為信號控制平臺，結合PC機上應用系統的開發，實現了一個多功能、開放式、操作簡捷、性價比高的智能身份管理的安全系統。

1 RFID技術分析

1．1 RFID技術及應用
      RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術是自動識別技術的一種高級形式，它利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數據。與磁卡、IC卡等接觸式識別技術不同，RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、讀取距離大、數據加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改簡單等特點。識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。正是由于這些獨特的優勢，RFID技術正逐漸的被廣泛應用于工業自動化、商業自動化和交通運輸控制管理等領域。
1．2 RFID系統組成及原理
       射頻識別系統的基本模型如圖1所示，主要由讀寫器和電子標簽組成。 

圖1 射頻識別系統的基本組成

     讀寫器(Reader)又稱為閱讀器、讀卡器、讀頭等，主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接受來自于主機系統的控制指令。讀寫器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線部分組成。此外，許多讀寫器還都有附加的接口(RS232，RS485，USB)，以便將所獲的數據傳輸給另外的系統作進一步的處理或存儲。讀寫器把從上位機發往電子標簽的數據加密后寫入標簽中、將電子標簽返回的數據解密后送到上位機。 
     電子標簽(Electronic Tag)又稱應答器、射頻卡、數據載體等，是指由IC芯片和無線通信天線組成的模塊超微型的小標簽，主要由天線、諧振電容以及IC芯片組成，標簽中一般保存有約定格式的電子數據。電子標簽是射頻識別系統真正的數據載體，其內置的射頻天線用于和讀寫器進行通信。 
     射頻識別系統中電子標簽與讀寫器之間通過耦合元件實現射頻信號無接觸耦合；在耦合信道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據的交換。系統工作時，讀寫器發出查詢信號，電子標簽收到查詢信號后將其一部分整流為直流電源供電子標簽內的電路工作，另一部分能量信號被電子標簽內保存的數據信息調制后反射回讀寫器。

2 硬件系統設計
2．1 系統結構
      系統主要由MCU、RFID讀寫器、門禁執行機構、攝像頭及報警器等模塊組成。通過相關軟件的控制，實現對實驗樓出人口人員進出統一管理。其系統結構如圖2所示。
     系統采用先進的被動式紅外探測(現場攝像)和主動式RFID技術對被保護區域進行嚴格的進出入檢測，并通過聯動將流動人員圖像存人DVR(硬盤錄相機)中，同時啟動現場聲光報警，并及時通知管理中心。在整個過程中，無須人來控制，一切均自動完成。由于有具體的記錄，對安全防盜起到了十分積極的作用。如果管理員進入保護區域時，可以通過RFID卡來取消現場報警功能。

圖2 硬件系統結構圖

2．2 讀寫和控制模塊

      該系統的關鍵部件是讀寫器，它由微處理器、外圍擴展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5V電源之后不僅可以讀卡而且可以與計算機進行通信。讀寫器是由STC89C52RC型單片機控制專用讀寫芯片(MFRC500)組成。其系統原理圖如圖3所示。當校園卡(電子標簽)置于讀寫器上時，讀寫器中的讀卡芯片MF RC500立即讀取該卡的卡號并選通讀寫器控制器STC89C52RC，通過三層身份驗證，讀取卡內數據形成用戶號，并將該用戶號傳給PC機客戶端程序，應用程序連接后臺數據庫用戶信息表獲取與該卡號對應的讀者信息。如果身份合法，則通道打開并提示歡迎信息，應用程序產生進門刷卡記錄存儲于數據庫中，否則提示出錯、拒絕進入。

圖3 讀寫和控制模塊原理圖

2．3 攝像模塊
     本系統的攝像模塊為黑白／彩色圖像微型攝像頭，攝像頭的功能是用于圖像拍攝，當讀卡判斷結果為非法進人時，就啟動攝像頭，將進人者拍攝下來，并將其記錄在DVR存儲器中，可以通過USB接口傳送給PC機顯示和保存 J。
2．4 執行模塊 
     電控磁鎖是門禁系統的執行部件，電控磁鎖在斷電時呈開門狀態，符合消防要求。由讀卡器中MCU根據刷卡情況發出控制信號控制，密碼認證通過開門，否貝4不開門，在讀卡器上用喇叭來仿真。 

3 軟件設計
     主控計算機(上位機)上的軟件分為兩大部分：主應用程序和后臺數據庫。該應用程序是在Windows系統平臺上，以Delphi7．0作為前端開發工具，采用SQL Server 2000作為后臺數據庫。
3．1 數據庫模塊
     數據庫模塊是程序運行的基礎。考慮到實驗樓人員較多，從而導致記錄數不確定且數目較大，所以我們選擇了功能強大的SQLServer 2000作為后臺數據庫_3】。該數據庫能隨著記錄的增加，動態地分配存儲空間，從而可以很好地滿足上述場合的需求。根據系統需要，設置了以下數據表，包括實驗用戶資料表、操作員信息表、時段限制信息表、進出時間表等。
3．2 主程序設計模塊
     當有射頻卡進人距離射頻天線100mm內，讀寫器就可以讀到卡中的數據。系統單片機要將所讀數據進行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂鳴器嗚叫一聲。并將卡片數據與當前時間一起存人單片機內的EEPROM，并在LED顯示器上顯示卡數據。沒有卡進人讀寫器工作范圍時，在顯示器上顯示當前時間。若讀卡出錯，顯示出錯標志。在與上位機通訊時，將單片機內部EEPROM存人的信息發往上位機。
     程序設計采用單片機匯編語言和KeilC51混合編程。看門狗定時器中斷服務程序采用匯編語言編寫，其它程序采用c語言編寫。程序的每一部分按模塊化設計成一個文件，單獨調試通過后，再在KeilC51環境下加入到工程文件中匯編生成HEX文件，用仿真器進行仿真通過后，寫入STC89C52芯片中脫離仿真器運行。

其模塊部分源程序如下：
／／尋卡、防沖突、選擇卡、返回卡類型
(2bytes)+卡系列號(4bytes)
charM500PiccCommonRequest(unsigned char
req_code，unsigned char atq)
{
Char idata status=MI—OK；
／／狀態為正常
M500PcdSetTm0(3)；
／／設定RC500工作模式
WritelO(RegChannelRedundancy，0x03)；
／／禁能RxCRC，TxCRC，使能奇偶校驗
C1earBitMask(RegControl，0x08)；
／／關閉加密單元
WritelO(RegBif’raming，0x07)；
／／寫入接收無錯誤標志
SetBitMask(RegTxControl，0x03)；
／／開啟TX2管腳輸出13．56MHz反相能量
載波
ResetInfo(MInfo)；
／／初始化參數
SerBufer[0]=req_code；
／／設置請求模式
MInfo．nBytesToSend=1；
／／要求發送
status=MSOOPcdCmd(PCD—TRANSCEIVE，
SerBufer，&Mlnfo)；
∥ 與RCS00通訊將SerBufer數據發送出去，
返回狀態
if(status)
{
atq=O；／／將數據清0
}
Else
{
if(MInfo．nBitsReceived!=16)
{
atq 0：
status=MI—
BITCOUNTERR；／／返回錯誤
}
Else
{
status=MI
— OK；／／狀態為正常
memcpy(atq，SerBufer，2)；／／內存拷貝，從
SerBufer開始，拷貝2個到atq
}
}
retum status；／／返回狀態

結束語

      本設計引進RFID這種新興的、突破性的自動識別技術，在有效地識別進入人員身份的基礎上，采用MCU控制微型攝像頭的方式記錄非法進入人員的圖像，保存了豐富的現場資料，提高了系統的安全防護能力。系統測試結果表明，系統性能穩定，安全可靠，可以方便地移植到各種重要場所的安全控制管理系統。該設計不僅綜合了防盜、門禁和考勤等多方面的功能，還可以和學校基于RFID技術的學生餐卡、水電表預付費系統、圖書管理系統進行聯網，從而逐步實現校園一卡通工程，具有重要的應用價值。

(責任編輯：劉康民)