基于RFID和GSM的智能小区管理

姓名：高小清学号：1262410101指导老师：汤一彬河海大学二○一四射频论文基于RFID和GSM的智能小区管理读卡器设计摘要：随着经济的快速发展，城市每家每户拥有一辆轿车已不是遥不可及的事情了，然而车辆数量快速的增加给小区车辆的管理带来了一定的困难。现有的智能门禁系统已不能满足目前车辆管理的需求，且现有的门禁系统存在很多问题，如：当小区内固定用户车辆进出的时候，车主并不能掌握其实时信息，增加了车辆被盗的几率；临时用户车辆进出时，需要工作人员人工登记，不仅浪费时间而且容易出现错误。为解决这些问题，本文在原有采用RFID技术（射频识别技术）门禁系统基础上，提出了一种结合RFID和GSM（全球移动通信系统）的门禁读卡器的设计。此读卡器可以使固定用户车辆进出时系统向车主发送提示短信，临时用户键盘输入进出门禁系统。论文详细阐述了RFID技术在该读卡器设计中的工作原理，RFID与GSM模块的结合实现了车主能够实时掌握车辆进出情况的功能，更重要的是与键盘操作结合起来使其他用户能够在一定条件下方便进出。该系统设计由硬件设计和软件设计组成的，通过硬件和软件的配合，该系统能够稳定运行。关键词：RFID读卡器LCD12864GSM模块TC35一、研究背景及意义随着技术的不断发展，智能化已成为当今社会的主流，而智能化得益于物联网技术的兴起。物联网就是利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个物物相连的网络，使物体智能化，使人们的生活更人性化。RFID技术作为其中最重要的一项，应用越来越广泛。本文提出并设计基于RFID技术和GSM技术的门禁读卡器，实现手机用户接收短信功能，临时用户键盘操作进出门禁系统的功能。RFID技术是物联网发展的基础，RFID产品大量应用在物联网之中，物联网的快速发展得益于RFID技术的大量应用和RFID产业的快速发展。在不知不觉中RFID已广泛应用于我们的生活中，如：以RFID的标签为例，学校食堂的饭卡，学生使用的校园卡，公交IC卡，市民卡，手机SIM卡，门禁卡等等。目前的智能门禁系统即是RFID技术的产品，但此门禁系统存在着不足，比如车辆进出信息无法被用户掌握，没有门禁卡临时用户无法进出等等。这就需要更人性化的门禁系统，本篇论文阐述的智能门禁系统使用RFID和GSM技术并利用手机解决了这些不足之处。本文主要是依据RFID技术设计智能小区车辆进出的门禁系统所用到得读卡器，然后采用GSM网络将提示信息及时发到车主手机，使得车主能够掌握自己车辆进出小区的信息，在一定程度上起到了防盗作用；采用键盘输入的模式来使无卡用户能够快速进出小区。主要的设计是根据所设计的系统选用合适的硬件设备，通过软件编程，运用仿真软件来实现。物联网的推广、RFID产业的发展、GSM的支撑就促使RFID行业产品的快速流通和使用。在未来的社会发展中，以RFID技术为依托，结合其他先进科学技术的产品将会越来越多，尤其门禁系统的应用。在国内外RFID都得到了广泛的应用，随着RFID技术不断发展和应用系统的推广普及，射频识别技术在性能等各方面都会有较大提高，成本将逐步降低，将会出现标签产品多样化、系统网络化、系统的兼容性更好等趋势。二、读卡器中运用的技术2.1.RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的，且识别工作无须人工干预[1]。2.1.1RFID系统组成RFID系统组成框图由图可知，RFID系统由电子标签、读写器、PC机组成，电子标签是系统的基础模块，读写器是中间件，起到承上启下的作用，最终读写器把电子标签的相关信息发给PC机，PC机再将相关信息发给用户，用户可实时了解状况，就如本文中的智能门禁系统：PC机监控系统把车辆的情况发给车主，车主即可时刻了解自己车辆的动态，大大提高了安全性。1.电子标签电子标签是RFID系统中的重要组成部分，标签中存储着被识别对象的相关信息，其主要特性为存储物体数据信息、对物体进行唯一标识、可以被读写器识别和读写。并且具有较长的寿命。它通常是被安置在被识别对象的表面上。从上图中可以看出RFID电子标签由天线、射频模块、控制模块、存储器、电池（可选）组成。其中的射频模块式通过内置天线来完成于RFID读写器之间的射频通信，控制模块里面有一个存储器，所有的标签内的信息就存储在这个位置。电子标签在应用场合也有一些专用的名字，比如射频卡，非接触卡，电子标签等等；在不同的应用场合，它的外形也随着改变，比如圆形，条形，卡形等。2.读写器读写器又被成为阅读器、读头、扫描器等，它可以利用射频技术读取或者改写电子标签内的信息，并且可以将这些读出的信息通过一些方式传输到中央信息系统（PC机）来进行管理和分析。如上图所示，读写器由射频模块、天线模块以及电源、时钟模块等构成。（1）射频模块射频模块[9]主要是完成射频信号的处理功能，可以发射和接收射频载波。（2）天线在RFID电子标签和阅读器之中都有天线，标签中的天线是信号的出入口，它接受RFID读写器发出的射频信号，还能够把电子标签中经过射频模块处理后的射频信号出去。而读写器必须要通过天线发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对RFID电子标签进行识别。（3）读写模块它可以接收射频模块传输的信号，解码后获得RFID电子标签被的信息。读写模块主要完成对RFID电子标签进行读写的控制操作。读写模块还可以通过标准接口将RFID电子标签内容和其他信息传送给中央信息系统。（4）电源、时钟等基本单元电源给RFID读写器提供必要的工作能量，并通过电磁感应的方式可以给无源RFID电子标签提供工作能量。时钟为RFID读写器在通信过程中提供同步始时钟信息，这些功能单元可能被集成在RFID读写器的读写模块当中，有时被当做单独的模块来放置。3.PC机PC机主要用来处理阅读器读出的信息，一般其包括一个数据库，存储着所有RFID电子标签的数据信息，用户通过这个系统平台可以查询到相关RFID电子标签的信息。2.1.2RFID系统工作原理：由上图可知，RFID系统由电子标签、读写器和PC机三部分组成。读写器的射频模块通过天线发射电磁波，形成一个有效的识别范围。当电子标签进入这个范围时，就会被激活，并且电子标签的射频模块利用读写器射频模块发射的电磁波作为能量，将电子标签的信息通过天线发射出去，读写器的天线接收射频信息，其射频模块对其进行解调解码，通过PC机或读写器本身判断标签的合法性，针对不同设定的指令执行相应的任务，最后RFID读写器将经过读写部分处理的信息传输至PC机，然后PC机将这些信息进行内部实时更新，分享给用户。2.2GSM网络GSM-GlobalSystemofMobilecommunication是全球移动通信系统的简称[19]，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。随着GSM网络及手机业务的广泛应用，其中的GSM模块也得到了越来越多的重视。2.2.1GSM模块GSM模块是GSM网络系统中最核心的部分，它是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件[20]等集成在一块线路板上，同时具有独立的操作系统、可以进行GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。单片机通过RS232串口与GSM模块进行数据通信，必须使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。国内经常使用的GSM模块有TC35、TC35i、BENQM22、JB35GD等等。在市场中流通的GSM模块中使用最为广泛的就是西门子的TC35模块。2.2.2GSM模块信息功能发送短消息需要使用GSM无线模块以及相应的数据线或红外线适配器，发送短消息是根据AT指令[23]。在实际短消息发送程序中进行串口通信主要有三种方式[24]:(1)利用VC++的标准通信函数。(2)利用API通信函数。(3)使用串行通信控件MSCOmm。其中使用MSCOmm最为简单。PDU数据格式分析通过对存储在手机中待发消息的分析，分析短消息的PDU数据格式。首先，用手机写一条短信息，发送手机号码为15931819763，信息内容为：“发送短信息”。三、系统硬件设计读卡器的设计采用RFID技术为基础理论知识，加入GSM模块可以使业主方便快捷的知道车辆的进出情况,预防车辆被盗。深入了解了射频识别技术的理论和应用后，设计一款基于AT89S51单片机的射频读卡器。该读卡器运用了单片机接口技术射频识别技术，最后通过RS-232与GSM模块进行通信实现用户手机接收短信的功能，并且通过键盘操作解决临时用户进出难题，液晶屏显示提示信息，整体设计人性化，是一款通用型的射频读卡器。其整体设计图如下图所示：读卡器硬件设计图3.1主控制器在我们所接触的和学习的51系列的单片机中大部分是以AT89C51和AT89S51单片机为基础介绍的。通过比较这两种单片机的不同之处，发现AT89S51的性能优于AT89C51，所以本篇文章所涉及的设计采用AT89S51。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。其特点如下图所示，其引脚图和各引脚的功能在单片机这本书中有详细的介绍。3.2射频卡读写芯片系统设计本着价格低廉，使用方便，采用了RI-R6C-001A芯片，它是一种针对非接触IC卡读写的多协议手法芯片。3．2.1RI-RC-001A特性及引脚3.2.2RI-R6C-001A外围电路设计RFID系统中的重要两部分，读卡器和射频卡之间的数据信息交换，是由系统中的天线电磁波来完成的[38]。读卡器发给射频卡的高频电磁波一方面给电子标签提供能量，另一方面将编码的基带信号调制为载波发送给射频卡，射频卡收到这些信息后，通过解调过程将数字信号从载波中还原出来，并送数字电路部分进行处理。同样，射频卡将接收到的数据信号经过调制后发送给读卡器，读卡器接收后，再进行相应处理将数据进行还原。在射频卡中，上述功能是由RFID接口电路来完成的，因此要实现正确的功能必须对RI-R6C-001A外围电路进行配置。其外围电路原理如下图射频卡读写芯片外围电路图3.2.3与MCU连接电路设计MCU通过同步串行接口实现与RI-R6C-001A芯片的数据传输。RI-R6C-001A芯片在上图中对外接口只有4个，分别是SCLOCK、DIN、DOUT、M—ERR[40]。在电路设计中只需将SCLOCK、DIN、DOUT这三根线与单片机相应引脚进行连接便可以实现单片机与芯片之间的数据传输功能。当RI-R6C-001A要发送数据时，时钟由MCU来控制，当它要接收数据时，时钟由芯片本身控制。下图中RI-R6C-001A芯片的SCLOCK、DIN、DOUT分别与AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2相连来实现两者之间的数据的传输。3.3液晶显示屏设计过程中，按照人们对于视觉效果的追求和人性化的使用，系统中加入了液晶显示屏LCD12864。3.3.1接口电路及仿真电路图系统设计的硬件电路中的LCD12864，没有带中文字库，需要自己进行字模提取。液晶显示部分的设计是由比较灵活的数据接口方式的[46]，而且操作的指令比较简单和快捷。利用液晶屏可以构成人机交互的界面，显示所要呈现的文字的功能。LCD12864液晶屏的最重要的特性就是低电压低功耗，可以显示16*16点阵汉字。和同类点阵液晶屏相比较，LCD12864都比其他的硬件电路结构简洁，而且价格比较低。PROTEL99SE接口电路如下图：液晶显示屏接口电路接口电路，采用8255A扩展I/O口，74LS