基于RFID的门禁系统设计.docx
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基于RFID的门禁系统设计
内容摘要
为了满足现代居民对门锁的要求,让人们省去因为出门忘带钥匙或者丢失遗漏钥匙的烦恼,帮助人们更好地生活。
在本次设计当中,我们将设计一款拥有显示器的智能RFID门锁,具备多重录入功能,可以录入两个UID的密码,让临时居住的客人也不怕没有钥匙。
本论文主要简述了以下几个方面的内容:
分析RFID智能门锁在国外的研究情况和发展历程,针对现阶段智能门锁的发展和需要进行分析,提出基于ARDUINO单片机的RFID智能门锁系统的设计与实现方案;构造出智能门锁的硬件和软件矿机并且介绍了RFID的解锁思路和其型号的特点,通过液晶显示器实时观察门锁开锁闭合的情况,最后对应已经在市场上的产品经行对比和测试,证明本设计的准确性和实用性。
关键词:
智能门锁单片机RFID
Abstract
Inordertomeettherequirementsofmodernresidentsonthedoorlock,peoplecansavethetroubleofforgettingtotakethekeyormissingthekeywhentheygoout,andhelppeopleliveabetterlife.Inthisdesign,wewilldesignasmartRFIDdoorlockwithadisplay,whichhasmultipleinputfunctions,andcaninputtwouidpasswords,sothatguestswholivetemporarilyarenotafraidofnokey.
Thispapermainlyintroducesthefollowingaspects:
analyzingtheresearchsituationanddevelopmentcourseofRFIDintelligentdoorlockinforeigncountries,analyzingthedevelopmentandneedsoftheintelligentdoorlockatpresent,puttingforwardthedesignandimplementationschemeofRFIDintelligentdoorlocksystembasedonArduinosinglechipmicrocomputer,constructingthehardwareandsoftwaremineroftheintelligentdoorlock,andintroducingtheideaandmodelofRFIDunlockingThroughtheLCDreal-timeobservationofthedoorlockunlockingandclosing,finallythecorrespondingproductsinthemarkethavebeencomparedandtestedtoprovetheaccuracyandpracticabilityofthedesign.
Keywords:
smartdoorlocksinglechipRFID
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着现代科学和生产力的高速发展,人类对生活品质的要求也越来越高,很多传统的东西已经不能再满足人类。
于是就诞生了越来越多的智能设备,比如说智能窗帘智能台灯等这些家庭日常经常会使用到的智能设备。
而这些当中,人们最常要用到的便是家里大门的门锁。
门锁是人们每天都要接触的东西,上班、下班,只要出门人类就会碰到它。
那自然传统的门锁也就无法满足人们浮夸的思想所带来的要求。
即便如此,它的存在也常常被人遗忘。
于是懒惰的人们开始对门锁打起了坏主意,商人们绞劲脑汁想着怎样能让门锁变得更加方便快捷,最后智能门控系统就出现在了我们的眼前。
智能门控系统将电子、光学、生物识别、计算机技术和通讯技术等高新产业技术与传统的工艺门锁相结合。
即避免了人们因为使用传统门锁时忘带钥匙而导致被门锁拒之门外的尴尬,也满足了人们对现代生活安全的需求——出门在外就算不带钥匙家里也能安全的锁着,回家就算不带钥匙也能顺利的进门。
而这次要提的技术便是这里面的一环:
RFID技术。
1.2RFID国内国外的研究历史和现状
其实RFID射频技术是一项很早的技术,早在上世纪中期六十年代时,RFID射频识别技术理论就已经有了一定的发展并展开了一部分的尝试性的应用。
RFID的起源是与雷达有关系的,利用雷达的耦射原理由此发展出了一种充满生机的全新技术——AIDC新技术——RFID技术,随后1948年哈里斯托克曼发表了一篇名为“利用反射功率的通讯”的文章奠定了射频识别技术RFID的基础理论。
开始了长达十年从1951年到1960年的实验室实验研究过程。
紧接着到了二十世纪七十年代RFID技术理论得到了爆炸性的发展,商用产品也随之爆炸性增加,各种RFID技术测试得到加速,出现了一些早期的RFID应用。
从全球范围来看,美国政府应该是RFID应用最为积极的推动者,在他的推动下RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域属于世界前沿。
欧洲的RFID标准紧紧的追随着美国主导的EPCglobal标准。
虽然日本也很快的提出了属于自己的RFID标准,但是仅仅得到的是自己本国厂商的支持与承认,距离走上世界级的标准还有这很长的路要走。
观国内,相对较为发达的欧美地区,我国在RFID产业上的发展可以说是非常落后。
目前在我国RFID技术应用上的企业虽然总数超过一百家,但是真正拥有核心技术的,特别是超高频RFID方面的技术可以说是寥寥无几。
如果从芯片、天线、标签和读写器等硬件方面上看,低高频RFID技术门槛较低。
国外发展早,在技术方面已经十分成熟,产品应用十分广泛,目前完全处于竞争状态;超高频起步较晚技术门槛较高,国内发展较晚所以从事相关方面的国内厂商可以说几乎没有,更被说缺少具有自主知识产权的新企业,与发达国家有着较大的差距。
到现代,RFID的应用技术已经深入我们的生活与各个领域的不同行业当中,每个领域没有一个不存在RFID技术的应用。
例如物流:
货物运输是物流必不可少的环节,利用RFID技术就可以实现全面的货物运输过程追踪自动化,信息采集自动化,以及仓库存储录入的自动化还有进入港口时将信息自动录入系统。
就像最近发生的疫情,利用RFID技术可以帮助劳动密集型的企业仓库减少或者杜绝人与人之间的接触,减少降低传染的风险。
具体为让客户以物件为单位,等待电子标签中加入产品型号等信息,并将电子标签按照要求贴在产品的货架上。
待产品货架粘贴保存好相关信息的电子标签并且包装好后,把产品货架自动到仓库完成入库。
入库管理人员在系统中输入入库的任务单内容,包括产品货架内的种类、数量等信息,系统自动生成入库任务单,开始经行入库操作:
启动RFID读写器,工作人员根据入库任务单把铲平货架通过入库读写器。
入库读写器读取货架上入库的产品信息与数量,对照无误后。
将由系统自动将产品货架自动搬运到指定仓库存储去存放。
等待入库完成后,系统将打印出入库清单,给管理员签收。
一次零接触的入库就这样完成。
再例如交通行业,RFID能为他们带来什么呢?
高速路是远程出行必不可少的条件,有了RFID技术过高速路口再也不用专门临时停车取卡或者缴费。
减少了停车取卡或者缴费带了的交通堵塞,以及收费人员的成本费用,省去了随身带零钱的尴尬或者因为没有零钱而烦恼的问题,大大减少了出行者的时间浪费。
出行者只需申请带有RFID的卡片经过收费站时慢行,等其系统识别后既可通过。
同样,交通方面,当出租车管理遇上了RFID技术,一切都变得简单明了。
有了RFID技术,出租车遗失的概率大大减少了。
市面上很多违章假冒出租车的车辆也不复存在。
因此对RFID技术的了解和提升成了我们现在刻不容缓的事情,也是本次设计的目的:
一边学习一边制作基于单片机的RFID门控系统,相信在这次基于单片机的RFID门控系统的制作和学习中能对RFID这技术有更加深刻的了解和认识。
1.3本章小结
本章主要讲述了RFID在生活中的应用场景,能为生活带来很多的便利。
RFID的历史背景,从雷达的概念逐渐衍生过来至RFID射频技术。
从实验室到市场各个领域的使用。
以及欧美国家对RFID极其深入的研究和日本的逐渐赶超,以及我国在这方面起步慢,不够重视还有缺少自主知识产权等严重问题。
提及在商业上举足轻重的,举了几个交通和物流的例子。
最后结合现在疫情实例更加了解RFID在商业方面的重要性和便利性。
第二章RFID相关技术
RFID翻译成中文即射频识别技术即RadioFrequencyIdentification的英文缩写。
其原理顾名思义就是利用空间的电磁感应(InductiveCoupling)或者电磁传播(PropagationCoupling)来进行通信,为达到自动识别被标识物的目的。
它的基本工作方式就是将无线射频识别的标签(Tags)安装到被识别的物体上,当被识别的物体进入系统识别阅读器(Readers)的范围时,标签和阅读器之间进行非接触式型试通讯,标签向阅读器发射自身id号等,阅读器接受到信息后开始进行解码并且后台传输给计算机进行处理,完成整个id的校验工作。
2.1RFID基本概念工作原理
RFID的技术基本原理并不复杂:
标签进入阅读器后,接受阅读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送储存在芯片中的产品信息或者标签(无源标签或者被动标签)或者由标签发出某种频率信号(有源标签或者主动标签),阅读器解码之后送至中央信息处理进行有关的数据处理。
电子标签与读写模块之间大致可以分成两种基本通信耦合方式:
1)反向散射耦合方式。
读写设备发射电磁波,当电磁波到目标后携带信息经行反馈,它依据电磁波碰到目标后携带的信息经行反馈,它一句电磁波在空中的传播规律,反向射耦合。
2)电感耦合方式:
通过交变的高频磁场对线圈产生电磁感应,从而实现耦合,同变压器的模型原理十分相似。
2.2RFID基本组成以及组成部分
一套完整的RFID系统应该由标签(Tags)阅读器(Readers)以及数据管理系统三部分组成
如图2.1所示(标签与阅读器之间可加天线)
图2.1RFID系统框架图
2.2.2关于阅读器
阅读器是将标签中的信息读出,或将标签所需要储存的信息写入标签的装置。
根据不同的使用结构和不同的技术,阅读器大致可以分为读/写装置两类装置,是RFID系统控制和处理中心。
当RFID在工作的时候,由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场,区域大小取决于发射功率。
在阅读器覆盖区域内的标签被触发,发送储存在其中的数据。
或根据阅读器的指令修改储存在其中的数据,并能通过接口与计算机经行通信。
阅读器的基本机构通常包括:
收发天线、频率产生器、锁相环、调制电路、微处理器、储存器、解调电路和外设接口组成。
2.3RFID相关技术小结
本章主要介绍了RFID的相关技术以及它的原理。
其本质就是利用空间的电磁感应或者电磁传播来读取芯片所记录的数据。
接受到ID信号后交给计算机来编译识别是否符合。
接着接受标签和阅读器之间的两种通讯耦合方式:
反向散射耦合方式和电感耦合方式。
最后详细描述了最小的RFID系统结构:
由标签和阅读器和数据管理系统组成。
第三章系统硬件以及功能设计
本系统将由单片机作为核心,要求在arduino上加入各种模块连接,使得成为一个完整的智能门锁。
本设计基于主芯片arduinouno主要实现的功能有:
(1)UID的录入
(2)UID的识别
(3)UID的重置
其工作原理为:
刷卡时液晶显示器显示读取,如果卡的权限获得允许便显示允许进入,同时继电器动作将门锁打开,指示灯点亮,延时一段时间后继电器再次工作将门锁关闭,指示灯熄灭。
本系统将采用Arduino开发板作为RFID智能门锁的核心,RC522RFID读卡器模块作为此次的RFID标签和阅读器。
如图3.1所示
3.1系统框架
3.1ArduinoUNO开发板
ArduinoUNO开发板是一个开放原始代码的软硬件平台,包括硬件和软件两个部分,硬件部分可以用来做电路连接的Arduino电路板;软件部分则是在ArduinoIDE中编写程序代码,并将程序上传到ArduinoUNO微控制器,ArduinoUNO微控制器根据信号变化做出相应的程序处理。
3.2MFRC522RFID读卡器芯片
在现在的中国RFID读卡器芯片市场上,芬兰恩智浦公司的Mifare非接触读卡芯片系列中MFRC522系列最为热销,因为它具有很低的电压便可驱动、很低的功耗、较小的尺寸、很低的成本等优点。
采用了统一的3.3v供电,工作频率为13.56MHz,兼容ISO/IEC14443A及MIFARE模式。
MFRC522包括两个部分,分别为数字部分和模拟部分。
其中数字部分是由状态机、编码解码逻辑等组成;模拟部分是由调制器、天线驱动器和接收器和放大器组成。
MFRC522的内部发送器不用外部有源电路即可读写天线实现与符合ISO/IEC14443A或MIFARE标准的卡片和通讯。
接收器模块提供了一个强大而高效率的调节和解码系统,用于接受兼容ISO/IEC14443A和MIFARE的卡片信号。
3.3LCD液晶显示器
3.3.1LCD液晶显示器概述
LCD的技术虽然在21世纪广泛应用,液晶显示器顾名思义就是一种一种拥有液态的流动性的特点,但却又拥有晶体的特性的物质。
会根据电的变化而改变它的光学性质,从而显示出各种各样的颜色和图像。
早在十八世界初,就有一位植物学家在观察植物的时候发现了这种神奇的物质。
为液晶奠定了技术。
而随后又过了一阵子到了二十世纪中期才有人发明出了液晶显示器。
到了现代LCD液晶显示器是由两片平行的玻璃基板里面装着液晶,通过改变电压的方式来改变液晶材料的内部分子排序,使它出现遮光和透光的深浅不一,错落有致的图像。
但是这仅仅只是单色光,还需要再表面上加入三元色的滤光层才能实现真正的彩色图像。
至今到现代,几乎有显示功能的产品都会用到LCD技术。
小到智能手表的屏幕,生活日常使用的手机,还有天天看的电视机,大到露天广场的大荧幕电视,都在用着LCD。
至此,当然智能门锁也不能落后于此。
3.3.21602LCD简介
本次采用1602LCD屏幕的基本信息:
背景颜色为蓝色。
输入电压为3.3v
本电路采用LCD1602输出显示信息。
本芯片具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用,不需要添加额外驱动电路。
此字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,更具显示的容量可以分为一行十六的字、两行十六个字、两行二十个字等等,这里采用两行十六个字的1602液晶模块。
本电路采用字符型显示方式实现信息的显示。
再加入了I2C驱动板使得原来16个接口的接线变成了仅仅只要四个接线,让接线变得更加的简洁。
3.4电磁继电器
3.4.1电磁继电器工作原理概述
继电器是一种具有隔离功能的自动开关元件,广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制等领域。
能对被控电路进行通断控制的执行机构给;在继电器输入和输出部分之间,还有对输入量经行耦合隔离,功能处理和输出部分经行驱动结构。
电磁继电器主要利用电磁控制工作电路的通断开关利用输入电路内电流在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作
3.5红外线接受发送模块
3.5.1红外线接受发送模块原理概述
红外线接受头又称为红外线接受模组,是集成红外线接受PD二极管、放大、滤波和比较输出等的IC模块。
拥有小型设计、内置专用IC、抗干扰能力强等特点。
IR红外通讯时最常用的无线通信方法之一,因为他们易于使用、价格合理。
波长比可见光长,不会显示在人眼中、当你按下遥控哦、控制器上LED会持续打开和关闭,并使调制的红外信号从遥控器发送像红外线接受器。
等该信号解调后执行。
3.6系统硬件以及功能设计小结
本章节主要讲述了RFID智能门锁的具体硬件构造,由arduino、RCC522RFID读卡器和卡、1602LCD液晶显示屏以及蜂鸣器、继电器和电机组成。
还有他们之间的具体连接关系和简单的介绍。
第四章模块设计与实现
4.1RC522连接
RC522RFID读卡器模块连接到Arduino,根据用户操作手册对应接线
RC522:
ARDUINO
SDA<------->D10
SCK<------->D13
MOSI<------>D11
MISO<------>D12
RST<------->D9
IRQ<------->不接
3V3<------->3.3V
GND<------->GND
LCD:
ARDUINO
SCL<------->SCL
4.2连接I2CLCD模块
GND->GND
VCC->5.0V
SDA->SDA
SCL->SCL
4.3连接红外接收器
图4.1红外线传感器框架
三个引脚分别对应用于VOUT、VDD、GND
继电器:
GND->GND
VCC->5V
SIGNAL->3
常闭->电机正极
共端->GND
如图4.2所示
图4.2参考电路图
第五章软件设计
将MFRC522模块用SPI通讯与Arduino配合使用
#include
#include
#include
启动通讯协议
lcd.begin();//LCDscreen
SPI.begin();//InitSPIbus
mfrc522.PCD_Init();//InitMFRC522
在loop()函数中,程序首先查早是否在读卡器附近放置新标签。
如果查找到便继续loop。
否则继续寻找。
放置新标签后将读取该标签接着存储相关的四字节UID编号
//Lookfornewcards
if(!
mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()){
return;
}
//Selectoneofthecards
if(!
mfrc522.PICC_ReadCardSerial()){
return;
}
第一次启动系统时,系统将要求录入无法更改的UID
MFRC522:
:
MIFARE_Keykey;
for(bytei=0;i<6;i++)key.keyByte[i]=0xFF;
MFRC522:
:
StatusCodestatus;
Stringtag="";
for(bytei=0;i { tag.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i]<0x10? "0": "")); tag.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i],HEX)); Serial.print(String(mfrc522.uid.uidByte[i],HEX)); } Serial.println(); tag.toUpperCase(); if(f==0){ for(bytei=0;i { host[1][i]=mfrc522.uid.uidByte[i]; Serial.print(String(host[1][i],HEX)); f++; } 接下来,放置rfid卡检测四字节UID号是否与保存的UID号相匹配,如果匹配则通过改变继电器高低电平启动电机,液晶屏显示Welcomehome for(bytei=0;i { if(host[1][i]==mfrc522.uid.uidByte[i]||host[2][i]==mfrc522.uid.uidByte[i])//判断是否和主UID副UID相同 e++; } Serial.println(e,f); if(e==mfrc522.uid.size)//e作为标识判断是否相同 { lcd.clear(); lcd.print("Welcomehome"); Serial.println("right"); digitalWrite(Pin,HIGH);//输出高电平 delay(500); digitalWrite(Pin,LOW);//输出低电平 delay(500); delay(500); e=0; delay(5000); lcd.clear(); lcd.print("Putcardhere"); } 如不符合则液晶屏显示WrongID,蜂鸣器发出警报声 else{ lcd.clear(); lcd.print("WrongID"); Serial.println("wrong"); for(b=0;b<2;b++){//b控制响两声 for(i=0;i<80;i++)//输出一个频率的声音 { digitalWrite(buzzer,HIGH);//发声 delay (1); digitalWrite(buzzer,LOW);//不发声 delay (1);// } for(i=0;i<100;i++)//输出另一个频率的声音 { digitalWrite(buzzer,HIGH);//发声音 delay (2); digitalWrite(buzzer,LOW);//不发声音 delay (2); } } delay(3000); lcd.clear(); lcd.print("Putcardhere"); e=0; } 启动IR库 #include 定义代码指定连接到接收器模块输出的引脚 intRECV_PIN=6 IRrecvirrecv(RECV_PIN); 初始化接受IR信号 Irrecv.enableIRIn() if(irrecv.decode(&results)) 此函数对接收到的IR信号经行解码并将解码存储到变量之中,没有任何值则返回为0。 lcd.begin();开启lcd屏幕。 SPI.begin();初始化SPI总线。 mfrc522.PCD_Init();初始化MFRC522。 本系统使用模块化的理念,将软件分为两大部分。 第一部分为直接读取RFID并判断是否符合,称其为读取系统。 第二部分为录入或者重置RFID的部分,称之为录入系统。 5.1读取系统 if(rfid.isCard()){首先判断是否有RFID卡放置 //Readingfromthecard Serial.println("Findthecard! "); if(rfid.readCardS
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