基于RFID技术的实验楼智能安全管理系统设计

引 言

     近年来，校园财产管理难度逐渐增大，偷盗现象时有发生。尤其是实验楼集中了大量的贵重财产，一旦失盗，损失不少。目前一些学校实验楼在保安方面主要以保安员值勤及巡逻为主，在一定程度上取决于保安员的素质，受人为因素影响较大。本文设计了一种基于RFID技术的实验楼智能管理系统。该系统利用STC89C52RC单片机板作为信号控制平台，结合PC机上应用系统的开发，实现了一个多功能、开放式、操作简捷、性价比高的智能身份管理的安全系统。

1 RFID技术分析

1．1 RFID技术及应用
      RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术是自动识别技术的一种高级形式，它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与磁卡、IC卡等接触式识别技术不同，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读取距离大、数据加密、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。正是由于这些独特的优势，RFID技术正逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。
1．2 RFID系统组成及原理
       射频识别系统的基本模型如图1所示，主要由读写器和电子标签组成。 

图1 射频识别系统的基本组成

     读写器(Reader)又称为阅读器、读卡器、读头等，主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自于主机系统的控制指令。读写器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线部分组成。此外，许多读写器还都有附加的接口(RS232，RS485，USB)，以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。读写器把从上位机发往电子标签的数据加密后写入标签中、将电子标签返回的数据解密后送到上位机。 
     电子标签(Electronic Tag)又称应答器、射频卡、数据载体等，是指由IC芯片和无线通信天线组成的模块超微型的小标签，主要由天线、谐振电容以及IC芯片组成，标签中一般保存有约定格式的电子数据。电子标签是射频识别系统真正的数据载体，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。 
     射频识别系统中电子标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号无接触耦合；在耦合信道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。系统工作时，读写器发出查询信号，电子标签收到查询信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回读写器。

2 硬件系统设计
2．1 系统结构
      系统主要由MCU、RFID读写器、门禁执行机构、摄像头及报警器等模块组成。通过相关软件的控制，实现对实验楼出人口人员进出统一管理。其系统结构如图2所示。
     系统采用先进的被动式红外探测(现场摄像)和主动式RFID技术对被保护区域进行严格的进出入检测，并通过联动将流动人员图像存人DVR(硬盘录相机)中，同时启动现场声光报警，并及时通知管理中心。在整个过程中，无须人来控制，一切均自动完成。由于有具体的记录，对安全防盗起到了十分积极的作用。如果管理员进入保护区域时，可以通过RFID卡来取消现场报警功能。

图2 硬件系统结构图

2．2 读写和控制模块

      该系统的关键部件是读写器，它由微处理器、外围扩展器件、读写芯片、射频天线、串行通信接口等几部分组成。接上串行口和+5V电源之后不仅可以读卡而且可以与计算机进行通信。读写器是由STC89C52RC型单片机控制专用读写芯片(MFRC500)组成。其系统原理图如图3所示。当校园卡(电子标签)置于读写器上时，读写器中的读卡芯片MF RC500立即读取该卡的卡号并选通读写器控制器STC89C52RC，通过三层身份验证，读取卡内数据形成用户号，并将该用户号传给PC机客户端程序，应用程序连接后台数据库用户信息表获取与该卡号对应的读者信息。如果身份合法，则通道打开并提示欢迎信息，应用程序产生进门刷卡记录存储于数据库中，否则提示出错、拒绝进入。

图3 读写和控制模块原理图

2．3 摄像模块
     本系统的摄像模块为黑白／彩色图像微型摄像头，摄像头的功能是用于图像拍摄，当读卡判断结果为非法进人时，就启动摄像头，将进人者拍摄下来，并将其记录在DVR存储器中，可以通过USB接口传送给PC机显示和保存 J。
2．4 执行模块 
     电控磁锁是门禁系统的执行部件，电控磁锁在断电时呈开门状态，符合消防要求。由读卡器中MCU根据刷卡情况发出控制信号控制，密码认证通过开门，否贝4不开门，在读卡器上用喇叭来仿真。 

3 软件设计
     主控计算机(上位机)上的软件分为两大部分：主应用程序和后台数据库。该应用程序是在Windows系统平台上，以Delphi7．0作为前端开发工具，采用SQL Server 2000作为后台数据库。
3．1 数据库模块
     数据库模块是程序运行的基础。考虑到实验楼人员较多，从而导致记录数不确定且数目较大，所以我们选择了功能强大的SQLServer 2000作为后台数据库_3】。该数据库能随着记录的增加，动态地分配存储空间，从而可以很好地满足上述场合的需求。根据系统需要，设置了以下数据表，包括实验用户资料表、操作员信息表、时段限制信息表、进出时间表等。
3．2 主程序设计模块
     当有射频卡进人距离射频天线100mm内，读写器就可以读到卡中的数据。系统单片机要将所读数据进行分析处理，如果符合条件，则读卡成功指示灯闪一下，蜂鸣器呜叫一声。并将卡片数据与当前时间一起存人单片机内的EEPROM，并在LED显示器上显示卡数据。没有卡进人读写器工作范围时，在显示器上显示当前时间。若读卡出错，显示出错标志。在与上位机通讯时，将单片机内部EEPROM存人的信息发往上位机。
     程序设计采用单片机汇编语言和KeilC51混合编程。看门狗定时器中断服务程序采用汇编语言编写，其它程序采用c语言编写。程序的每一部分按模块化设计成一个文件，单独调试通过后，再在KeilC51环境下加入到工程文件中汇编生成HEX文件，用仿真器进行仿真通过后，写入STC89C52芯片中脱离仿真器运行。

其模块部分源程序如下：
／／寻卡、防冲突、选择卡、返回卡类型
(2bytes)+卡系列号(4bytes)
charM500PiccCommonRequest(unsigned char
req_code，unsigned char atq)
{
Char idata status=MI—OK；
／／状态为正常
M500PcdSetTm0(3)；
／／设定RC500工作模式
WritelO(RegChannelRedundancy，0x03)；
／／禁能RxCRC，TxCRC，使能奇偶校验
C1earBitMask(RegControl，0x08)；
／／关闭加密单元
WritelO(RegBif’raming，0x07)；
／／写入接收无错误标志
SetBitMask(RegTxControl，0x03)；
／／开启TX2管脚输出13．56MHz反相能量
载波
ResetInfo(MInfo)；
／／初始化参数
SerBufer[0]=req_code；
／／设置请求模式
MInfo．nBytesToSend=1；
／／要求发送
status=MSOOPcdCmd(PCD—TRANSCEIVE，
SerBufer，&Mlnfo)；
∥ 与RCS00通讯将SerBufer数据发送出去，
返回状态
if(status)
{
atq=O；／／将数据清0
}
Else
{
if(MInfo．nBitsReceived!=16)
{
atq 0：
status=MI—
BITCOUNTERR；／／返回错误
}
Else
{
status=MI
— OK；／／状态为正常
memcpy(atq，SerBufer，2)；／／内存拷贝，从
SerBufer开始，拷贝2个到atq
}
}
retum status；／／返回状态

结束语

      本设计引进RFID这种新兴的、突破性的自动识别技术，在有效地识别进入人员身份的基础上，采用MCU控制微型摄像头的方式记录非法进入人员的图像，保存了丰富的现场资料，提高了系统的安全防护能力。系统测试结果表明，系统性能稳定，安全可靠，可以方便地移植到各种重要场所的安全控制管理系统。该设计不仅综合了防盗、门禁和考勤等多方面的功能，还可以和学校基于RFID技术的学生餐卡、水电表预付费系统、图书管理系统进行联网，从而逐步实现校园一卡通工程，具有重要的应用价值。

(责任编辑：刘康民)