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项目二：125kHz物联网射频卡应用——门禁系统学习目标本项目的工作任务是掌握125kHz的物联网只读射频卡的特点，了解其应用，以设计门禁应用系统为例掌握其相关应用系统设计的方法。理论知识要点125kHz物联网只读射频卡的特点。125kHz物联网只读射频卡应用系统组成结构及工作原理。技能训练要点能进行125kHz物联网只读射频卡应用系统硬件设计。能操作125kHz物联网只读射频卡应用系统软件。2.1任务导入：什么是射频卡门禁系统？门禁系统，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的数字化管理系统。在科学技术发达的今天，门禁系统已发展成为一套现代化的、功能齐全的管理系统，它对出入门和通道的管理也早已超出了单纯的对门锁及钥匙的管理。它不止是作为进出口管理使用，而且还能有助于内部的有序化管理。它能够时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入区域、出入时间，礼貌地拒绝不速之客。1、门禁系统常见的门禁系统有：密码门禁系统IC卡(感应式IC卡)门禁系统指纹虹膜掌型生物识别门禁系统有哪些常见的门禁系统？常用门禁系统2、门禁系统组成门禁系统控制器阅读器通讯设备服务器软件控制服务器门及门锁按钮开门按钮消防控制系统报警控制系统门卡控制器是门禁系统的核心，它由一台微处理机和相应的外围电路组成。如果将阅读器比作系统的眼睛，将电磁锁比作系统的手，那么控制器就是系统的大脑，由它来决定某一张卡是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段，从而控制电磁锁是否打开。负责整个系统输入、输出信息的处理和储存，控制等等。门禁控制器阅读器是读取射频门禁卡片中数据信息并将信息传送给控制器的设备。阅读器（识别仪）电控锁是门禁系统中锁门的执行部件。用户应根据门的材料、出门要求等需求选取不同的锁具。电控锁门禁卡是开门的钥匙。可以在卡片上打印持卡人的个人照片、个人信息等，开门卡、胸卡合二为一。门禁卡出门按钮：按一下打开门的设备，适用于对出门无限制的情况。门磁：用于检测门的安全/开关状态等。电源：整个系统的供电设备，分为普通和后备式（带蓄电池的）两种。其它设备传输部分主要包含电源线和信号线。如门禁控制器、读卡器、电控锁都需要供电；门禁控制器同读卡器、门磁之间的信号线；等等。传输部分通过RFID技术，验证电子钥匙（射频门禁卡）的合法性，控制电子门锁的开启；对射频门禁卡信息进行管理；对用户信息进行管理。同时记录出入信息作为考勤管理。实现自动、安全的射频门禁管理目标。该门禁系统的设计目的是实现人员出入控制、考勤数据采集、数据统计和信息查询过程的自动化；方便人员进出开锁与报到，方便管理人员统计、考核实验室人员出勤情况。3、门禁系统设计目标刷卡开门按钮开门时间段设置报警功能定时事件局域网互联功能远程控制实时监控时间校正记录存储功能市场应用门禁系统具体的功能需求卡片使用模式：采用125kHz非接触式物联网射频卡。刷卡开门：用户进入门禁管制区域时需刷卡，读卡器读取信息后，将信息传输到主机，主机首先判断该信息是否合法，如合法则发出开门指令，不合法则发出报警，同时记录用户刷卡事件。管理控制：控制器的记录进行收集管理，可增加、删除、更新用户信息。记录存储：系统可将门禁控制器运行产生的所有用户刷卡事件、报警时间等记录，便于进行用户的考勤管理和发生事故后及时进行处理。实验门禁系统项目实现的功能125kHz物联网射频卡主要有台湾4001卡、瑞士微电EM4100（H4001）卡、EM4150卡、EM4609卡、Temice5551卡、AtmelT5557卡、AtmelAT88RF256-12卡、等。使用较多的是台湾4001卡、瑞士微电EM4100卡，卡内主芯片分别是4001和EM4100，它们都是只读型射频卡，均都采用125kHz的典型工作频率。2.2125kHz物联网射频卡EM4100(原名H4100)是一款用于RF只读收发器的CMOS集成电路。这个芯片通过放置于电磁场中的外部线圈获得电源，同时从线圈的一端得到运行时使用的主时钟。通过开启和关闭调制电流的方式，芯片可以把工厂预编程的64bit标签信息返回给阅读器。通过激光熔断集成电路内部多晶硅连接的方式，可以为每一个芯片编程一个唯一的识别码。2.2.1EM4100射频卡简介EM4100芯片只有4个引脚。4个引脚分别为电源VDD、电源地VSS、天线线圈连接端COIL1、COIL2。1.EM4100芯片引脚设置EM4100芯片内核消耗很低的功率，因此应用电路没有必要增加一个电源缓冲电容。EM4100内部已经集成了一个74pF的并联谐振电容。一个外部线圈连接到EM4100就可以实现芯片的典型应用2.EM4100射频卡典型的操作配置激光可编程的64bitMemory空间提供多种数据率和编码方式选择片内集成谐振电容片内集成电源缓冲电容片内集成电压限位功能片内集成全波整流低阻抗器件提供大调制深度100-150kHz工作频率非常小的芯片尺寸，方便植入非常低的功耗3.EM4100射频卡芯片特点2.2.2EM4100射频卡内部电路框图时钟提取器时序器记忆阵列数据调制器数据编码器全波整流器AC1AC2COIL1COIL2VDDVSS逻辑时钟串行数据输出调制控制CsupCresEM4100通过外部线圈的电磁场传导的方式获得能量。线圈上的交流电压信号经过整形变成直流，为芯片内部电路提供工作电压。只要芯片供电仍然持续，标签信息就会不停地循环发送出来。EM4100提供多种选项（注：修改集成电路内部的金属线连接。）定义编码类型和数据速率。编码数据bit的发送速率可以是64，32或者16个载波周期；数据编码方式可以是曼切斯特编码（Manchester），双相编码（Biphase）或者相移键控（PSK）。2.2.3EM4100编码描述曼切斯特编码是在一个数据bit发送期间的中点总会产生一个从开到关或者从关到开的翻转。数据bit从0到1或者从1到0变化时，相位发生改变。下图中数据流值的高电平表示调制器开关打开，低电平表示关闭。1、曼切斯特编码双相编码是在每一个bit的起始时刻，会发生一次翻转。逻辑1的传送期间状态保持不动，逻辑0的传送期间在中间发生一次状态翻转。2、双相编码曼彻斯特和双相编码模式的IC存储单元。64bitMemory空间。2.2.3EM4100中的IC存储单元111111111D00～D13,该8bit为厂商自定义信息；P0～P1为行校验位D00D01D02D03P0D10D11D12D13P1D20～D93，32bit为可编程ROM数据，用来唯一标识该卡片，P2～P9为对应的行校验位D20D21D22D23P2D30D31D33D33P3D40D41D42D43P4D50D51D52D53P5D60D61D62D63P6D70D71D72D73P7D80D81D82D83P8D90D91D92D93P9列校验位PC0PC1PC2PC309bit的头信息行检验位列检验位40个数据位停止位2.3125kHz射频卡门禁系统原理电子锁控制RFID卡125KHZRFID阅读器NXPLPC1114PC机控制软件和数据库有线或者无线连接电源及本地数据备份STN显示蜂鸣器，LED指示键盘控制硬件部分软件部分是在Windowsxp操作系统下设计实现，其包括阅读器端MCU程序和PC端的门禁系统管理系统两部分。阅读器端MCU程序包括只读EM4100射频门禁卡的编码识别与分析程序及与PC通信的串口程序，是基于KeiluVision4环境开发的MCU程序。PC端的门禁系统管理系统软件包括管理界面与数据库设计两部分。管理界面部分是基于VisualC++6.0，应用MFC进行界面设计，以先施提拱串口通信API软件开发组件，完成读卡等功能操作。数据库设计部分是用MySQL数据库设计完成，其中VisualC++6.0利用ODBCAPI实现MySQL数据库功能调用。关于软件部分本节强调阅读器与射频卡、阅读器与MCU、MCU与PC机间通信。软件部分完成门禁系统的发卡及出入管理，包括建立用户数据库、关联用户和卡号、记录出入刷卡时间、导入导出记录数据查询和分析等功能。软件部分2.3.1125kHz门禁阅读器结构原理功率放大器检波电路滤波放大电路MCURS-232/USB电路PC机射频模块125KHz载波控制模块解码2.3.2125kHz门禁阅读器电路天线部分只涉及到一个电容、一个电阻和线圈，但是各个器件的值一定要比较精确。从两个天线端口出来，经过电容、电阻和线圈可以组成一个LC串联谐振选频回路，该谐振回路的作用就是从众多的频率中选出有用的信号，滤除或抑制无用的信号。串联谐振回路的谐振频率为2.3.3125kHz门禁阅读器天线设计原理LCf2102.4125kHz射频卡门禁系统硬件设计2.4.1125kHz门禁阅读器硬件结构125KRFID125KRFIDIF1IF2天线M106BWNL-34供电控制2.4.2核心模块M106BWNL-34支持EM、TK及其兼容卡片；超小体积，仅32.5mm×17.5mm;低功耗，读卡电流29mA。基于模块的扩展功能很强可根据用户要求修改软件定制个性化模块,不用改变线路板。通用协议：UART:适用于PC机或8位UART的单片机，波特率可选。支持韦根-34：通用读卡器接口。自带看门狗。供电电源控制和指示。M106BWNL-34功能特点管脚符号描述管脚符号描述1VCCDC5V,与21脚内部已经连接8TX1天线接口12GND地9TX2天线接口23TXD/WG1TXD用于串口数据输出/WG1为韦根DATA010CLK串口型号有效＝0:连续输出串口数据＝1：有卡只输出一次4WG2韦根DATA111STATUS_OUTPUT有无卡状态指示（1：无卡指示；0：有卡指示）12NC必须悬空M106BWNL-34引脚线圈3V，5V选择125khz阅读器模块子板接口子板接口供电指示RFID实训平台----125kHz模块IF1引脚号信号名称功能说明备注1GND电源地GND和DGND可以外部短接2P5V5V供电输入如果阅读器模块使用5V电源，需要从此端口送入5V。3WG1_125k阅读器韦根接口信号及电源控制信号。4ACT_FLAG_125k1：无卡指示；0：有卡指示5WG2_125k6VCCN_125k供电开关7DGND电源地GND和DGND可以外部短接8D3V33.3V供电输入如果阅读器模块使用3.3V电源，需要从此端口送入3.3V。IF21-8NC未连接--阅读器模块外围接口2.5125kHz射频卡门禁系统软件设计门禁系统需求分析125kHz门禁功能刷卡系统识别独特卡号；显示卡号；响铃及LED指示；继电器控制；电子锁延迟开、关；发卡系统建立用户数据库；关联用户和卡号；刷卡记录；导入导出；2.5.1射频门禁卡ID的识别韦根编码方式为使用2个输出管脚WG0和WG1分别表示bit0，和bit1。当输出bit0时，管脚WG0产生一次跳变，反之，WG1产生一次跳变。系统使用两个GPIO管脚Pin2.4与Pin1.8分别连接该模块的WG0，WG1，同时使能这两个PIN的电平中断方式。使用中断方式串行接收34bit韦根编码。2.5.2射频卡门禁系统通信与管理功能的软件设计积木化功能组件按需组合，搭建平台125kRFID组合125kHzRFID子板+MCU子板+必要的通用组件按需组合，搭建平台通用组件STN子板，Power子板，USB子板，LED子板，底板等统称为通用组件，用户可视需要安装使用。门禁软件开发软件功能分解任务1：使用STN显示欢迎界面、循环显示任务2：控制LED灯亮灭、流水灯、循环任务3：控制BEEP开关、循环任务4：控制Relay开关、循环任务5：生成按键开关及LED指示控制任务6：生成按键开关及BEEP控制任务7：生成按键开关及Relay控制任务8：门禁卡识别并且显示卡号任务9：刷卡识别，显示，响铃提示，并控制继电器任务10：完整的门禁系统演示门禁系统组成门禁系统功能125kHz门禁系统射频卡125kHz射频卡门禁系统硬件设计125kHz射频