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基于RFID的门禁系统设计
作者：周学叶 单承赣
来源：中国一卡通网
日期：2009-03-24 09:06:09
摘要：本文介绍了一种基于RFID技术的小区门禁系统。简述了该系统的基本组成与工作原理，结合实际分析了基于RFID技术门禁系统在实际应用中的一些需要考虑的因素，并提出了具有本系统设计特色的人性化解决方案，使得整个系统更加便于管理。本文所设计的系统可广泛用于小区门禁的管理。
RFID是射频识别技术的英文(RadioFrequencyIndenfification)缩写，是2O世纪9O年代随着网络技术普及而被重新认识和得到普遍重视的一种自动ID识别技术，是一项利用射频信号通过空间耦合(电磁感应或电磁传播)，实现无接触信息传递并得到被标识物的ID信息以做到识别目的物的技术。自2004年起，全球范围内掀起了一场无线射频识别(RFID)的热潮，包括沃尔玛、保洁、波音公司在内的商业巨头无不积极推动RFID在制造、零售、交通等行业的应用。RFID技术及应用正处于迅速上升的时期，被业界公认为是本世纪最有潜力的技术之一，它的发展和应用推广将是自动识别行业的一场技术革命。与此同时，无线射频识别(RFID)在门禁管理系统方面的应用也己逐渐成熟。
一、门禁系统的组成
门禁系统，简单来说就是管理人员出入的智能化系统，是一种数字化管理系统，又称出入管理控制系统。本小区所采用的门禁控制技术是基于RFID的非接触智能卡技术。
小区门禁分两个部分：小区进出门禁和各单元楼门禁。两种门禁的外观放置不同，但它们的组成基本相同，主要包括：射频卡、读卡器、电子门锁、门禁控制器、数据采集器、后台数据处理系统等，其中电控锁按断电时的开关状态分为电磁锁、阳极锁、阴极锁。系统各组成单元布线结构简图如图1：
本系统采用感应式技术，或称作射频(RF)技术，是一种在卡片与读卡装置之间，无需直接接触的情况下对卡片信息进行读写的方法。使用感应式读卡器，不再会因为接触磨擦而引起卡片和读卡设备的磨损，也无需将卡插入孔内或在刷卡槽内刷卡，卡片只需在读卡器的读卡范围内晃动即可，兼有使用方便、使用寿命长等优点。
射频卡与读卡器之间的外部通信简图如图2：
对一个RFID系统来说，它的频段概念是指读卡器通过天线发送、接收并识读的射频卡信号的频率范围。RFID涉及到多种频率的电磁物理特性，它的标准化工作应该包括工作频率、射频卡规格、数据编码格式、读卡器与射频卡之间的通信协议等内容，是一项比较繁琐的工作。
考虑到门禁系统中进出持卡人员对系统识别距离的要求(1米以内)，结合系统的读取速度、成本、防冲撞功能以及对环境(水，金属)的敏感度等，本系统采用13．56MHz的频段(注：该频段在其他领域，如二代身份证、学生铁路优惠票证等，己经得到了广泛应用，技术成熟性高。
以13+56MHz交变信号为载波频率的标准主要有ISO 14443和ISO 15693标准。由于ISO15693读写距离较远(当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关)，而ISO 14443读写距离稍近，更符合小区门禁系统对识别距离的要求，该射频系统应选择ISO 14443标准。对于ISO 14443标准，它定义了TYPEA、TyPEB两种类型协议。通信速率为106kbits／s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。从PCD向PICC传送信号时，TYPEA采用改进的Miller编码方式，调制深度为100％的ASK信号； ，PE B则采用NRZ编码方式，调制深度为10％的ASK信号 从PICC向PCD传送信号时，二者均通过调制载波传送信号，副载波频率皆为847KHz。TYPE A采用开关键控(On-Ofkeying)的Manchester编码；TYPEB采用NRZ-L的BPSK编码。
TYPEB与TYPEA相比，由于调制深度和编码方式的不同，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点本射频识别门禁系统所采用的是ISO 14443-TYPE B标准。
三、本门禁设计的特色介绍
１、门禁钥匙采用双卡制
目前国内普遍使用的第二代居民身份证是一种有”芯”身份证，即在身份证内部嵌入了非接触式IC芯片。第二代身份证和本设计系统所需的射频卡一样，也采用了ISO14443一TYPEB标准，那么可不可以用第二代身份证代替射频卡作为出入门禁的”钥匙”呢?
据08年7月新京报报道，北京天宁寺社区里的部分居民已经将这样的设想变为现实。虽然现阶段只是试点运行，社会各界人士也对此褒贬不一，但使用身份证作为门禁钥匙在小区门禁安全管理上的优势已经凸现。但由于身份证有制作过程较复杂，丢失后补办时间较长等缺陷，故用它作为门禁钥匙使用若不慎丢失将给居民带去不便。由此可见用第二代身份证作为门禁钥匙利弊共存，为此本设计提出门禁钥匙”双卡制”方案。该方案将射频卡作为进出门禁的主要钥匙，而将二代身份证作为居民忘带射频卡情况下的应急措施，并鉴于二代身份证的重要性、特殊性，给每个居民二代身份证的使用设置了次数限制(比如一个季度限用五次等)，超过限用次数刷卡(指使用二代身份证)无效并且刷卡时系统控制发出报警信号。当居民同时携带射频卡和二代身份证时，读卡器将同时识别到居民所带的两种”门禁卡”，后台管理系统将按所采集到的数据加于区分，并对二代身份证的该次识别不予季度限用次数的累加。
２、门禁系统的安全性考虑
A、将发给居民的射频卡(或称门禁卡)设有有效期，过期则需由居民本人携带有效证件到小区相关工作处(如门禁卡管理处)重新登办。
B、若居民不慎丢失射频卡，可由居民本人携带有效证件到小区相关工作处进行挂失，挂失后该卡处于功能封锁状态，按居民要求，可以登办新卡。
C、居民携卡进门时，系统可通过相关设备(如音频设备、显示设备等)，对门禁工作人员(保安等)进行快捷的语音提示，如年龄、性别，以防造假。更复杂地，相关工作人员可将卡片使用者的面部图像录入门禁管理系统，居民携卡进门时，可显示卡片真正主人的面部图像，这样便几乎可以杜绝造假行为。
D、对于小区来访人员(如探亲人员)，小区管理者可为其准备临时射频卡，并查看、登记其有效证件，收取一定押金后给与来访人员有效临时射频卡。
注：备用射频卡的外观制作要区分于小区内部居民所持射频卡，以便出门还卡时便于管理人员区分。
E、对火灾等紧急情况可采取一定措施：
首先得注意电控锁的选择，电控锁中的电磁锁和阳极锁都是断电开门型，符合消防要求。选择这两种电控锁的其中一种，就可以在火灾时候因自动断电或者人为切断电源后所有被控制的门禁打开，以便居民的疏离。
此外，在设计门禁系统时，应采用单向门禁控制器，即进门刷卡和出门按钮。这样的设计即便灾难发生时没有发生断电，也没有人员的及时断电控制，小区内部人员也可以在因慌乱没有携带卡片的情况下通过按钮开门，以便人员及时疏散。
３、小区中特殊人群的管理
小区中的特殊人群主要包括老人、小孩、残疾人等。由于这些特殊人群缺少或没有足够的自我保护能力，系统可在他们外出时自动记录或发送短信通知其监护人，以便对他们实行跟踪保护。
４、门禁卡的外观设计
将一项设计应用于人们的日常生活当中，所以除了要考虑很多纯技术性的东西还要考虑一些有关些人性化的东西。否则如果设计出来的方案实例没有人愿意接受，就像这样的一个智能小区门禁系统如果没有市场，那么它在现实中就很难得到实施开发。要说服业主接受这样的一套门禁方案，首先要体现它的优越性(主要是便利性)，首要考虑是卡片的封装形式，应该便于携带。可以将制作好的射频卡与居民的钥匙或者钥匙链封装在一起，射频卡表面可印制居民个人信息，如姓名、编号、性别等，以便使居民所携带的射频卡具有个人特征。如业主不慎将卡丢失，也容易找回。
四、设计总结
本门禁系统采用自动射频识别技术，在技术和自动化管理上优于普通门禁系统。系统在设计中考虑了一些特殊及突发状况并提出了人性化的解决方案，如：便于携带的卡片封装形式、对出入小区的特殊人群(老弱病残、外来人员)的跟踪保护、对火灾地震等突发状况的应对措施等。此外，本设计的独特之处在于考虑到将第二代身份证作为出入门禁的钥匙，这个正在试点运行的方案将由于它特有的管理优势，有望在不久的将来在人们的生活中得到普遍应用。届时RFID在门禁上的应用将给人们的生活带去更多的便利，RFID广阔的发展及应用前景令人期待。
注：本文受合肥工业大学”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计”项目支持。
(合肥工业大学计算机与信息学院 周学叶 单承赣)
作者简介：周学叶：女，计算机与信息学院通信05—2班。合肥工业 大学大学生创新性实验计划项目”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计”团队成员。单承赣：男，计算机计算机与信息学院教授。研究方向为多媒体技术与RFID。合肥工业大学大学生创新性实验计划项目”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计 ％导老师。
一、门禁系统的组成
门禁系统，简单来说就是管理人员出入的智能化系统，是一种数字化管理系统，又称出入管理控制系统。本小区所采用的门禁控制技术是基于RFID的非接触智能卡技术。
小区门禁分两个部分：小区进出门禁和各单元楼门禁。两种门禁的外观放置不同，但它们的组成基本相同，主要包括：射频卡、读卡器、电子门锁、门禁控制器、数据采集器、后台数据处理系统等，其中电控锁按断电时的开关状态分为电磁锁、阳极锁、阴极锁。系统各组成单元布线结构简图如图1：
图1系统组成简图
本系统采用感应式技术，或称作射频(RF)技术，是一种在卡片与读卡装置之间，无需直接接触的情况下对卡片信息进行读写的方法。使用感应式读卡器，不再会因为接触磨擦而引起卡片和读卡设备的磨损，也无需将卡插入孔内或在刷卡槽内刷卡，卡片只需在读卡器的读卡范围内晃动即可，兼有使用方便、使用寿命长等优点。
射频卡与读卡器之间的外部通信简图如图2：
图2射频卡与读卡器间的通信简图
对一个RFID系统来说，它的频段概念是指读卡器通过天线发送、接收并识读的射频卡信号的频率范围。RFID涉及到多种频率的电磁物理特性，它的标准化工作应该包括工作频率、射频卡规格、数据编码格式、读卡器与射频卡之间的通信协议等内容，是一项比较繁琐的工作。
考虑到门禁系统中进出持卡人员对系统识别距离的要求(1米以内)，结合系统的读取速度、成本、防冲撞功能以及对环境(水，金属)的敏感度等，本系统采用13．56MHz的频段(注：该频段在其他领域，如二代身份证、学生铁路优惠票证等，己经得到了广泛应用，技术成熟性高。
以13+56MHz交变信号为载波频率的标准主要有ISO 14443和ISO 15693标准。由于ISO15693读写距离较远(当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关)，而ISO 14443读写距离稍近，更符合小区门禁系统对识别距离的要求，该射频系统应选择ISO 14443标准。对于ISO 14443标准，它定义了TYPEA、TyPEB两种类型协议。通信速率为106kbits／s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。从PCD向PICC传送信号时，TYPEA采用改进的Miller编码方式，调制深度为100％的ASK信号； ，PE B则采用NRZ编码方式，调制深度为10％的ASK信号 从PICC向PCD传送信号时，二者均通过调制载波传送信号，副载波频率皆为847KHz。TYPE A采用开关键控(On-Ofkeying)的Manchester编码；TYPEB采用NRZ-L的BPSK编码。
TYPEB与TYPEA相比，由于调制深度和编码方式的不同，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点本射频识别门禁系统所采用的是ISO 14443-TYPE B标准。
三、本门禁设计的特色介绍
１、门禁钥匙采用双卡制
目前国内普遍使用的第二代居民身份证是一种有”芯”身份证，即在身份证内部嵌入了非接触式IC芯片。第二代身份证和本设计系统所需的射频卡一样，也采用了ISO14443一TYPEB标准，那么可不可以用第二代身份证代替射频卡作为出入门禁的”钥匙”呢?
据08年7月新京报报道，北京天宁寺社区里的部分居民已经将这样的设想变为现实。虽然现阶段只是试点运行，社会各界人士也对此褒贬不一，但使用身份证作为门禁钥匙在小区门禁安全管理上的优势已经凸现。但由于身份证有制作过程较复杂，丢失后补办时间较长等缺陷，故用它作为门禁钥匙使用若不慎丢失将给居民带去不便。由此可见用第二代身份证作为门禁钥匙利弊共存，为此本设计提出门禁钥匙”双卡制”方案。该方案将射频卡作为进出门禁的主要钥匙，而将二代身份证作为居民忘带射频卡情况下的应急措施，并鉴于二代身份证的重要性、特殊性，给每个居民二代身份证的使用设置了次数限制(比如一个季度限用五次等)，超过限用次数刷卡(指使用二代身份证)无效并且刷卡时系统控制发出报警信号。当居民同时携带射频卡和二代身份证时，读卡器将同时识别到居民所带的两种”门禁卡”，后台管理系统将按所采集到的数据加于区分，并对二代身份证的该次识别不予季度限用次数的累加。
２、门禁系统的安全性考虑
A、将发给居民的射频卡(或称门禁卡)设有有效期，过期则需由居民本人携带有效证件到小区相关工作处(如门禁卡管理处)重新登办。
B、若居民不慎丢失射频卡，可由居民本人携带有效证件到小区相关工作处进行挂失，挂失后该卡处于功能封锁状态，按居民要求，可以登办新卡。
C、居民携卡进门时，系统可通过相关设备(如音频设备、显示设备等)，对门禁工作人员(保安等)进行快捷的语音提示，如年龄、性别，以防造假。更复杂地，相关工作人员可将卡片使用者的面部图像录入门禁管理系统，居民携卡进门时，可显示卡片真正主人的面部图像，这样便几乎可以杜绝造假行为。
D、对于小区来访人员(如探亲人员)，小区管理者可为其准备临时射频卡，并查看、登记其有效证件，收取一定押金后给与来访人员有效临时射频卡。
注：备用射频卡的外观制作要区分于小区内部居民所持射频卡，以便出门还卡时便于管理人员区分。
E、对火灾等紧急情况可采取一定措施：
首先得注意电控锁的选择，电控锁中的电磁锁和阳极锁都是断电开门型，符合消防要求。选择这两种电控锁的其中一种，就可以在火灾时候因自动断电或者人为切断电源后所有被控制的门禁打开，以便居民的疏离。
此外，在设计门禁系统时，应采用单向门禁控制器，即进门刷卡和出门按钮。这样的设计即便灾难发生时没有发生断电，也没有人员的及时断电控制，小区内部人员也可以在因慌乱没有携带卡片的情况下通过按钮开门，以便人员及时疏散。
３、小区中特殊人群的管理
小区中的特殊人群主要包括老人、小孩、残疾人等。由于这些特殊人群缺少或没有足够的自我保护能力，系统可在他们外出时自动记录或发送短信通知其监护人，以便对他们实行跟踪保护。
４、门禁卡的外观设计
将一项设计应用于人们的日常生活当中，所以除了要考虑很多纯技术性的东西还要考虑一些有关些人性化的东西。否则如果设计出来的方案实例没有人愿意接受，就像这样的一个智能小区门禁系统如果没有市场，那么它在现实中就很难得到实施开发。要说服业主接受这样的一套门禁方案，首先要体现它的优越性(主要是便利性)，首要考虑是卡片的封装形式，应该便于携带。可以将制作好的射频卡与居民的钥匙或者钥匙链封装在一起，射频卡表面可印制居民个人信息，如姓名、编号、性别等，以便使居民所携带的射频卡具有个人特征。如业主不慎将卡丢失，也容易找回。
四、设计总结
本门禁系统采用自动射频识别技术，在技术和自动化管理上优于普通门禁系统。系统在设计中考虑了一些特殊及突发状况并提出了人性化的解决方案，如：便于携带的卡片封装形式、对出入小区的特殊人群(老弱病残、外来人员)的跟踪保护、对火灾地震等突发状况的应对措施等。此外，本设计的独特之处在于考虑到将第二代身份证作为出入门禁的钥匙，这个正在试点运行的方案将由于它特有的管理优势，有望在不久的将来在人们的生活中得到普遍应用。届时RFID在门禁上的应用将给人们的生活带去更多的便利，RFID广阔的发展及应用前景令人期待。
注：本文受合肥工业大学”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计”项目支持。
(合肥工业大学计算机与信息学院 周学叶 单承赣)
作者简介：周学叶：女，计算机与信息学院通信05—2班。合肥工业 大学大学生创新性实验计划项目”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计”团队成员。单承赣：男，计算机计算机与信息学院教授。研究方向为多媒体技术与RFID。合肥工业大学大学生创新性实验计划项目”基于RFID的智能住宅区安全管理系统设计 ％导老师。
