NFC門禁控制系統研究與設計

曹澤玲，王 琪

(南昌航空大學 信息工程學院，江西 南昌 330063)

0 引言

當前，國內的門禁系統大多基于RFID射頻識別技術。近場通信(Near Field Communication,NFC)技術是檢測范圍在10 cm內進行設備間數據交換的新型技術,適用于門禁系統。

與傳統RFID卡相比，NFC卡具有價格及功率低、兼容性強、安全性更高、可與SD卡集成應用等優勢。作為近距離無線通信互連領域極富競爭力的技術，NFC技術在門禁管理領域的應用前景越來越好。

1 NFC的基本工作原理與工作方式

NFC技術由無線射頻識別技術(RFID)演變而來，并向下兼容RFID[1]。基礎NFC設備主要包括Reader、Tag和Application三個部分，通信模式分為主動和被動兩種，工作方式包括點對點模式、讀寫模式、卡模式三種[1]。NFC工作原理可簡單歸納為以下三個步驟：

(1)偵測標簽：NFC讀取器持續產生頻率為13.56 MHz的正弦波信號，當有標簽接近磁場擾動范圍時，經磁場親合獲得能量，產生原正弦波反頻率或改變頻率屬性的波，讀取器探測到這種改變，知道附近有標簽進入磁場，或者由有源標簽主動發送某一頻率的信號。

(2)讀取標簽：讀寫器通過天線將編碼加載至高頻段的信號發出，靠近讀寫器的標簽檢測到該信號后，標簽內部芯片相應電路對其進行整流、調制、解碼處理，最后對系統請求、權限等加以判斷。

(3)讀取器讀取到解碼信息并將其交由應用軟件處理。

2 NFC的標簽與讀取器

2.1 NFC標簽

標簽包括有源和無源線圈兩種，—般由金屬線圈和邏輯線路組成[1]。設計中使用的標簽主要由電阻電容及電感和部分線圈組成，其電路如圖1所示。

圖1 標簽內的集成電路

NFC的標簽是被動式裝置，可與主動式讀寫器進行通信。標簽自身無源，它在閱讀器產生的電磁場中獲得能量，然后進行數據的調制，通過直接調制或相位調制開始發送調制信息。標簽與智能手機間數據及能量的交換如圖2所示。

圖2 NFC標簽與智能手機識別與通信

2.2 NFC讀取器

讀取器通常是基于一個微控制器，帶一個能產生13.56 MHz無線電頻率的集成電路。內部集成有編碼器、解碼器、比較器和天線。Reader的技術要求[1]主要有：

(1)Reader要能夠通過電磁場為Tag提供足夠的能量；

(2)解決多個Reader間的干擾；

(3)面對大量的Tag數據，Reader要有過濾能力；

(4)收發信號間有70 dB的差距，要能準確接收。

3 系統硬件設計

3.1 門禁系統組成

設計的NFC門禁系統[2]主要包括主控制器模塊和非接觸式NFC卡或帶有NFC功能的智能手機兩部分。其中，主控制器由主控CPU模塊、射頻芯片PN544及天線模塊、門鎖控制模塊、上位機管理模塊、安全報警模塊、TFTLCD液晶顯示模塊、按鍵控制模塊等部分組成。整個系統的結構框圖如圖3所示。

系統工作原理是：STM32作為主控CPU加上外圍TFTLCD顯示、按鍵控制、報警、門鎖控制等模塊組成門禁閱讀器系統，當有NFC卡或帶有NFC功能的智能手機靠近閱讀器時，由電磁感應原理，相關信息一路反饋至閱讀器控制CPU，CPU發送門鎖控制指令至各模塊，完成顯示、報警或電插鎖動作，另外可通過鍵盤輸入開鎖密碼直接開鎖；另一路反饋到USB連接的上位機進行用戶信息管理等。

3.2 芯片選型

3.2.1主控芯片

綜合考慮系統控制要求及芯片各方面性能，選用ARM公司的STM32F103RCT6芯片作為主控CPU。其特色包括：功耗小、性價比高、集成度高、外設豐富等。外設包括 UART接口、SPI接口、12位的ADC電路、復位電路、RC振蕩器等。STM32F103芯片的電壓工作范圍為2 V～3.6 V,I/O口兼容5 V電路,并且包含帶喚醒功能的低功耗模式與安全的時鐘模式[3]。STM32F103RCT6是64腳STM32F103系列的高端芯片，128 KB的FLash存儲器和高達20 KB的SRAM可存儲大量用戶數據，從而在設計門禁控制器時不需要外接存儲芯片，簡化了整個設計過程[4]。鑒于以上優勢，選擇該芯片作為主控CPU。系統外圍電路包含有電源模塊、人機接口模塊、存儲器、RTC電路、NFC讀卡器接口電路、門禁鎖控制接口電路等部分。主控芯片IO口擴展電路圖如圖4所示。

圖3 門禁系統結構框圖

圖4 主控芯片IO口擴展

3.2.2NFC芯片PN544

PN544芯片內核是基于低功耗HT80C51MX的微控制器，配置128 KB ROM，5 KB動態RAM，52 KB的EEPROM[5]。該芯片是一款性能較好、使用范圍廣、支持協議標準豐富的NFC芯片。

NFC芯片中，PN511和PN512內部未配置MCU，而PN531及PN532不支持 ISO1443-B 協議。為了簡化硬件資源，盡量選用攜帶 MCU 的芯片，相同條件下優先選用支持標準更多的芯片。PN65N性能更佳但成本較高。相比于其他芯片，PN544 的性能最強，支持協議標準最豐富，支持 SWP 協議，故優先選用。

PN544作為系統讀寫器核心部分，是非接觸式模擬卡的核心單元。其主要功能包括：

(1)支持主被/動模式。

(2)在讀寫器核心模式下支持標準協議，包括：ISO14443 TypeA/ISO14443 TypeB、Sony Felica和Mifare Classic、ISO 15693。

(3)點對點模式下數據傳輸速率可有106 kb/s、212 kb/s、424 kb/s三種，且可傳輸4種類型的標簽數據[5]。

圖5所示為系統讀寫器部分PN544核心模塊電路圖。

圖5 PN544核心模塊電路連接圖

3.3 電源電路設計

整個門禁控制系統應用經220 V降壓轉換為12 V的電源模塊。而系統中用到的電源包括+12 V、+5 V、+3.3 V,其中門鎖控制驅動電壓為+12 V，主CPU及外圍器件使用+3.3 V。通信電路應用+5 V電源。因此需要對12 V輸入電壓進行轉換。

LM7805是一種具有過壓、過流、過熱保護的性能穩定的三端穩壓集成芯片[6]。常用輸入9～15 V，輸出+5 V。設計中用其實現12 V～+5 V的電壓轉換。轉換電路如圖6(a)所示。

圖6 電壓轉換電路

LM1117是一個低壓差線性電壓調壓器,其有5個固定輸出電壓(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V、5 V),最大電流可達800 mA[7]。其優勢是可提供電流限制和熱保護功能。設計中用其將5 V輸入電源轉換成3.3 V。其轉換電路如圖6(b)所示。

3.4 門禁鎖控制電路

門鎖控制電路及主控板與NFC讀卡器接口電路如圖7所示，通過STM32的相應IO口控制三極管的導通與截止來控制門禁鎖的關閉與打開，門鎖控制總結為上電(12 V)開鎖，斷電關門。門鎖開關由主控板控制接口與門禁自動電插鎖連接經信號觸發實現。

圖7 門禁鎖控制電路

3.5 人機接口模塊設計

人機接口模塊包括按鍵、指示燈、顯示、蜂鳴器。其中顯示模塊應用TFTLCD液晶模塊，其電路連接如圖8所示，按鍵控制模塊采用4×4鍵盤。

4 軟件設計

4.1 門禁開鎖流程

圖9所示為系統控制主流程圖，系統初始化后分別執行喂狗程序、按鍵程序、讀寫器處理程序、顯示子程序及電插鎖動作控制程序。

圖8 TFTLCD模塊連接

圖9 門禁系統主程序流程圖

圖10所示為智能NFC卡或移動終端開鎖流程圖，預開鎖用戶首先需經過身份認證，通過后繼續檢測NFC卡或終端是否具有開鎖權限，只有擁有開鎖權限的用戶才可通過刷NFC卡或手機來開鎖。

圖10 智能NFC卡或移動終端開鎖流程圖

4.2 APP模擬卡開鎖

移動終端APP[8]檢測界面顯示如圖11所示。這里通過使用NFC智能手機代替門禁IC卡的方式，由APP端檢測NFC智能卡，檢測到IC卡的ID，然后通過移動終端內RE管理器對機身自帶NFC標簽的ID進行修改，使之與IC卡相同，之后即可通過手持該智能手機實現門禁開鎖。

圖11 APP檢測界面

4.3 門禁管理上位機界面

門禁系統上位機管理采用C#編程實現，其中包括用戶身份識別、系統當前時間設置、智能卡的添加與刪除、開鎖密碼的修改等模塊。界面設置如圖12所示，右上角為系統當前日期顯示部分。

在實驗階段上位機與門禁系統通過USB連接實現通信與管理。后期使用時通過無線局域網實現信息交互與數據通信。該部分主要通過C#上位機通信程序實現。

圖12 門禁管理上位機界面

用戶存儲與管理由管理員通過門禁閱讀器輸入系統密碼及用戶信息管理密碼，進行用戶信息添加或刪除處理。或者通過上位機門禁管理系統，管理員通過輸入用戶ID，識別后根據用戶詳細信息進行添加或刪除操作。同時可通過系統對門禁系統的開鎖密碼進行更改。

5 系統測試

對整個系統各模塊進行實物連接測試，通過智能NFC卡及具有NFC功能的手機或按鍵輸入設定密碼皆可實現門禁鎖的開關動作。測試結果顯示：門禁控制的基本功能均可實現，與預期相符。

6 結束語

本文設計了基于無線通信NFC新型技術的門禁控制系統，檢測范圍在10 cm內，具有天然的安全性。門禁功能可通過NFC門禁卡、解鎖密碼、智能手機APP三種方式實現；門禁系統管理通過USB連接的上位機實現。設計優勢在于成本較低、功耗較低、兼容性強、天然的

安全性、工作效率較高且系統容錯性較好，可基本滿足智能、安全、高效的現代化門禁管理要求。

有待進一步改善的是：門禁功能實現方式中，智能手機代替IC卡部分可進一步實現智能卡與SD卡集成方式，其管理可由移動終端APP實現。

[1] 陳俊杰，朱志杰，溫耀軍.基于PN532的接觸式和非接觸式讀卡器設計[J].電子技術應用，2010,36(5):109-113.

[2] 彤英衫.嵌入式多功能門禁系統的設計與實現[D].大連:大連理工大學,2009.

[3] 深圳市迪通科技有限公司.Data sheet reference STM32 Manual[Z].2009.

[4] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[5] DUVERNE C, ROMEN C, BARBA T.Near field communication technology and the road ahead [EB/OL].(2007-××-××)[2017-11-04]http://www.NFC-Forum.com.cn.

[6] 孫宏.基于ARM的嵌入式門禁控制器的硬件設計[J].微計算機信息,2011,27(3)：89-91.

[7] 汪亮.基于近場通信技術的門禁系統研究和設計[D].長沙：湖南大學,2013.

[8] 董琦.基于Android平臺的NFC終端設計[D].成都：電子科技大學,2013.