基于STM32的智能门禁系统的设计.docx

1、基于STM32的智能门禁系统的设计摘 要随着科学技术的不断提高，人们的生活水平不断提升，智能建筑将会在未来的城市建设中发挥重要的作用。门禁系统是智能建筑领域非常重要的组成部分，不仅能够控制人员进出权限，还能够对这些人员的出入情况进行实时监控与记录，是智能建筑必不可少的安全防范设施。射频识别门禁系统存在认证介质容易丢失、损坏, 指纹识别门禁系统容易受到环境的影响。该设计针对目前的门禁系统研究的现状和发展的状况做了简要分析，结合对 RFID 技术和指纹识别技术的研究，提出了一种基于 STM32 的智能门禁系统设计方案，采用指纹识别技术和射频识别技术两种识别方式进行身份验证，完成门禁系统的多重验证方

2、式。避免了单一门禁系统存在的安全隐患，提高了系统的稳定性和安全性。具体设计方案如下： 硬件方面采用 STM32 作为控制器，结合电源、射频识别、指纹识别、继电器等模块构建门禁系统终端的总体硬件架构。 软件方面结合硬件架构，采用模块化设计思路，设计开发主程序设计模块，指纹识别门禁模块，射频识别门禁模块。上位机采用 C#语言进行设计开发，实现门禁管理系统的设计。 在面对“互联网+”、物联网、移动智能化的挑战之下，门禁技术不断的创新，门禁系统进入了前所未有的转型期。单一验证方式的门禁系统将被取代，智能门禁系统将成为门禁行业未来发展的趋势。 图 44 幅；表 13 个；参 41 篇。关键词：门禁系统；

3、指纹识别；RFID；STM32 分类号：TP399AbstractWith the continuous improvement of science and technology, and the peoples living standard, intelligent building will play an important role In the future of urban construction. Door-control system is a essential key component of the field of intelligent building. It

4、 can not only control the access authority of personnel, but also monitor and record the access of these personnel in real time, which is an indispensable security and prevention facility of intelligent building. The identification medium of Radio frequency identification access control system is ea

5、sily lost and damaged, and the fingerprint identification access control system is easily affected by the environment. This design makes a brief analysis of the current research status and development of the access control system and proposes a design scheme of intelligent access control system base

6、d on STM32 by combining with the RFID technology and fingerprint identification technology research. This design scheme adopts fingerprint identification technology and radio frequency identification technology to verify the identity, and completes the multiple verification of the access control sys

7、tem, which can avoid the hidden danger of single access control system and improve the stability and security of the system. The specific design scheme is as follows:In terms of hardware, it adopts STM32 as the controller to build the overall hardware architecture of access control system terminal b

8、y combining power supply, radio frequency identification, fingerprint identification, relay and other modules.In terms of software, it adopts modular design ideas to design and develop the main program design module, fingerprint identification access control module and RFID access control module. Th

9、e upper computer adopts C# language to realize the design of access control management system.In the face of the challenge of Internet plus, internet of things and mobile intelligence, the continuous innovation of access control technology makes access control system enter an unprecedented transitio

10、n period. The single verification method of access control system is gradually be replaced, and intelligent access control system will become the future development trend of the access control industry.Figure 44; Table 13; Reference 41Keywords: Access Control System,Fingerprint Recognition,RFID,STM3

11、2Chinese books catalog: TP399目 次引 言 1第 1 章 绪论 2门禁系统的概述 2门禁系统的种类 3门禁系统的研究现状及发展趋势 4本课题研究的背景和意义 4本课题研究的主要内容和结构 6第 2 章 射频识别系统原理 8RFID 技术概述 8RFID 系统的硬件组成 9RFID 系统的软件组成 11RFID 系统工作原理 12电感耦合 13电磁反向散射耦合 13RFID 的频率标准 14RFID 的应用领域 15RFID 存在的问题 16本章小结 17第 3 章 指纹识别技术原理 18指纹识别技术概述 18指纹识别原理 19指纹图像的采集 20指纹图像的预处理 2

12、1指纹图像的特征提取 24指纹图像的特征匹配 26本章小结 29第 4 章 门禁系统的硬件设计 30系统硬件设计方案 30STM32 微控制器 31MCU 主控芯片 31串行外设接口（SPI） 33指纹识别模块设计 36指纹传感器 36指纹传感器模块接口 37常用指令集 38射频识别模块设计 38MF RC522 简介 39MF RC522 芯片特性 40MF RC522 接口设计 40天线设计 424.4.5 S50 卡 43系统电源电路 44继电器模块 45蜂鸣器提示电路 46液晶显示电路 46本章小结 47第 5 章 PC 机应用软件设计 48Visual Studio 2010 开发环

13、境 48系统软件功能设计 49系统管理软件设计 50系统登录 50用户信息管理 51操作日志记录 52用户信息查询 52门锁控制界面 52数据库设计 53数据结构分析 53数据表的设计 55本章小结 56第 6 章 门禁系统软件设计 576.1开发环境 576.2主程序模块设计 586.3射频模块程序设计 596.4指纹模块程序设计 636.5阅读器与射频卡之间的通信协议 656.6本章小结 66结 论 67参考文献 68附录 A 门禁系统原理图 71致 谢 73导师简介 74作者简介 75学位论文数据集 76引 言生物识别技术是近几年发展起来的安全、便捷的身份认证技术，受到社会各界的高度重视

14、。以生物识别技术为基础的门禁系统安全、可靠、便捷，其在许多场所已经得到了广泛的应用。指纹识别技术是最为实用可靠而又不对人体造成侵犯的较为成熟的一种生物识别技术。在嵌入式技术应用到指纹识别当中以来，人们开发出了多款指纹识别系统，在社会的不同领域得到了广泛的应用。此外，射频识别技术也已经广泛应用于门禁系统中，射频识别门禁系统使用非接触式感应卡取代了传统的钥匙，避免了繁琐的开门过程，节省了开门时间。 单一认证方式的门禁系统具有不同的优势和缺陷，其安全性能偏低，无法很好的满足用户多元化的需求，不适用于高保密性、高安全性的场合。本文设计了一种基于 STM32 的智能门禁系统，采用指纹识别和 RFID 射

15、频识别两种方式对门禁进行控制，从硬件和软件两个方面对系统进行分析设计，提高了系统的安全性、稳定性和便捷性。硬件方面，对指纹识别模块和射频识别模块的相关特性进行分析比较，确定硬件电路各个模块的型号。对相关模块的接口模式进行分析，选定各个模块与 STM32 之间的通信接口，对系统的整体硬件电路进行设计。软件方面采用模块化设计思路设计门禁系统软件部分，采用 Visual Studio 2010 对 PC 机的管理软件部分进行相应的设计。该系统能够有效管理门的开启与关闭，保证授权人员自由出入，限制未授权人员进入，记录出入情况，还能实现查询和打印报表等功能。第 1 章 绪论门禁系统涉及多种新技术领域，包

16、括光学，计算机技术，通讯技术，生物识别技术等，是一种新型现代化安全管理系统。5.4门禁系统的概述门禁最早起源于原始社会，人们为了保证自己的人身财产安全，开始使用杠棒或木栓将门锁起，有了看家护院的意识。这是人类最初的关于门禁的概念。随着社会的逐渐发展，人们的安全意识不断提高，人们发明了各种类型的锁具。机械锁具的出现大大的改善了门禁的安全性，但是机械锁只是单纯的契合性机械装置，尽管结构设计复杂，材料坚固，它的安全性能都无法得到更高的提升，人们总是轻易的就能够把它打开。为了弥补这些缺点，同时也为了解决像酒店、办公楼这些场所的出入口人员进出频率高，出入口人员流动性大等问题，人们发明了新的门禁系统电子锁

17、（主要有电子磁卡锁和电子密码锁），门禁进入了电子时代。电子锁存在磁卡故障率高，易被复制等问题，因此也逐渐被淘汰。随着近几年的电子计算机技术的发展，射频识别技术和生物识别技术不断的成熟，门禁也朝着系统化、智能化的方向发展。射频门禁，指纹门禁，虹膜门禁等各种技术的门禁系统逐渐走进人们的视线，并被人们重视和使用。它们在安全性，便捷性和管理性等方面都有各自的优势。门禁系统1 是智能建筑领域中不可或缺的组成部分，英文全称为 Access Control System，缩写为 ACS。指“门”的禁止权限，是对“门的戒备防范。这里的“门”是指能够通行的各种通道，包括人通行的门，车辆通行的门等。一套完整的门禁

18、系统主要包括门禁控制器，它是门禁系统的核心，负责整个系统输入、输出信息的处理、储存以及控制等；门禁前端识别设备，用于采集用户数据（包括卡片数据，指纹数据等），主要有门禁读卡器，生物识别仪等设备；电控锁，门禁系统中锁门的执行部件，用户可以根据不同的需求选取相应的锁具；管理软件，通过电脑对所有单元进行集中式管理和监控，包括识别方式的授权、统计出入记录、用户权限管理等操作；还有一些其它的相关设备，包括出门按钮，卡片， 电源，交换器 HUB 等。随着科学技术的发展，人们安全意识的提高，门禁系统与人们的日常生活和工作密切相关，已经成为现代化建筑必备的安全设施。对于住宅区而言，人们不仅要关注房价，质量问题

19、，也更加关注住宅区的安全问题。住宅区的门禁系统可以为住户提高良好的居住环境，能够防止非授权人员随意进出小区，增强了居住环境的安全性。对于企业而言，门禁系统不仅是安全的守护者，还能为人力部门的考勤工作提供帮助，使企业的管理更加便捷、轻松，是企业的理想选择。5.5门禁系统的种类随着身份认证技术的不断提升，门禁系统的安全性、稳定性、便利性等性能也越来越完善。近几年来生物识别技术和射频识别技术快速发展，指纹识别、面部识别、虹膜识别、射频识别等技术在门禁系统中得到了广泛的应用，出现了指纹门禁、虹膜门禁、射频门禁等。目前，根据输入设备识别原理和方式的不同，门禁系统主要可以分为以下三类：密码式、刷卡式、生物

20、识别式。5.5.1密码门禁系统：它通过判断密码是否与系统中保存的密码一致来决定门是否开启。密码门禁系统容易操作，只需记住密码，成本比较低。但是速度较慢，安全性不高，密码容易泄露或者忘记；只能单向控制，使用的场合也比较少。5.5.2刷卡门禁系统：分为接触卡式（磁码卡、铁码卡）和非接触式两类。接触卡式门禁卡片容易磨损、信息易复制、卡片易受外界磁场干扰，使用的场合较少。非接触式 IC 卡克服了接触式卡的种种缺陷，卡片无需与阅读器接触，卡片不易受到污染、磨损，具有体积小、耐用、读取速度快、卡片信息不易复制，安全性高等优势，能够与计算机进行连接，记录出入信息，实现双向控制，是当前门禁系统的主流。5.5.

21、3生物识别门禁系统：门禁的识别方式是验证人类自身所固有的生理或行为特征。常见的生物特征有：指纹（每个人的手指末端纹路信息都是唯一的）、掌纹（每个人的掌纹形态各不相同）、人脸识别（每个人的五官特征和位置不同）等。生物识别门禁系统的识别介质随身携带，安全性高，重复的几率低，不易丢失、遗忘，也不易被伪造或盗用。生物识别门禁系统存在如下问题：一，成本高；二，识别率不高，易受使用环境和使用者（比如指纹划伤，眼红肿出血，脸上有伤，或胡子的多少）的影响； 三，使用不方便（比如虹膜和面部识别门禁，它们的识别设备安装位置固定，但是用户身高不等）；四，识别速度较慢，对于一些人员较多的场合不适用。五，随着环境和时间

22、的改变，人体的生物特征会发生改变，从而造成不能准确识别。其中，射频识别门禁和生物识别门禁是门禁发展的两个主要的方向。两种识别方式最主要的区别就是身份认证的介质不同。射频识别门禁身份认证的介质是射频卡，易丢失、损坏，被复制，存在只认卡不认人的缺陷。生物识别门禁身份认证的介质是人的生理特征不会丢失，具有较高的安全性。随着门禁识别技术不断的发展，这两种门禁系统的应用领域越来越广泛。5.6门禁系统的研究现状及发展趋势随着自动识别技术的飞速发展，门禁系统也得到了飞跃式的发展，越来越多的公司和企业投入大量的人力、物力和财力来从事门禁系统的研发和生产。门禁系统的知名品牌有捷顺、达实智能、霍尼韦尔（Honey

23、well）、西门子、HID Global、博世安防、DDS、中控智慧、同方锐安、科松等公司。门禁系统产生自 20 世纪 80 年代，90 年代由国外引入中国，进入我国市场已经有几十年的历史了，随着安防行业的迅速发展，门禁系统以快速、平稳的态势发展，迅速发展成为安防行业的重要细分行业之一。随着科技的进步，国家对门禁系统产品的推动，人们生活水平不断提高，传统门禁系统已经无法满足用户的需求， 智能门禁系统横空出世，发展迅猛，已经占据了市场的大部分份额，传统门禁在激烈的竞争中渐渐失去了优势。门禁系统在各个领域中得到了广泛的应用，由于不同场合对门禁系统的需求不同，门禁系统的技术也在不断的变化和发展。目前

24、，更加先进的生物识别技术和手机 NFC 移动技术的出现为门禁行业发展提供了新的动力，视频智能分析技术和生物识别技术多元化应用更是为门禁产品的功能开发提供了新的方向，同时 3G/4G移动通讯技术的飞速发展与应用使得门禁系统的组网架构更加灵活多样，产品自身的集成化、智能化及可集成性会成为未来衡量门禁产品功能和品质的重要标准2。 随着安防技术和门禁技术的不断发展、安全等要求的不断提高、应用场所的不断扩大，门禁系统将会朝着 IP 化、多重生物识别技术的方向发展。此外，门禁系统作为基础物联网络，不再局限于各个子系统单独运作模式，未来将会与视频监控、防盗及消防报警等更多系统相结合，为其提供更多基础数据，提

25、高安防系统的整体性和安全性。门禁系统的功能将会更丰富、更完善、更具兼容性、操作更人性化。5.7本课题研究的背景和意义目前，许多企业已经将生物识别技术应用到门禁系统当中，随着用户对这类产品用量的增加，充分体现了人们对生物识别产品的认同，每个用户对每种生物识别技术的产品接受程度不同。生物识别技术产品的价格、品质和技术逐渐成熟，应用范围逐步扩大。生物识别技术是目前最为方便与安全的、有效的身份认证技术，越来越受到人们的喜爱，指纹识别技术作为生物识别技术中应用最早的，最为实用可靠的，又不对人体造成侵犯的较为成熟的一种，一直都是人们研究的重点。指纹识别门禁系统是采用指纹识别技术来进行身份验证的，它是以手指

26、取代钥匙完成开锁的任务，随身携带，终身不变，操作方便。同时避免了其它类型门禁系统易丢失、遗忘或者是被伪造等弊端。与射频识别门禁系统相比较，指纹识别门禁系统更安全、可靠、成本相当。射频识别技术也已经广泛应用于门禁系统中，RFID 门禁系统采用电子标签取代了传统的机械门锁，配合系统的数据处理单元进行自动化管理。射频识别门禁系统的用户不用在经过繁琐的过程开门。虽然使用成本上可能比指纹识别要付出更多的投入，但是比起指纹识别在一些识别环境下的更高要求，射频识别设备的优势是前者所难以比拟的。此外，如果门控流量较少、安全需求不是非常高，且出入人员相对单一的话，射频门禁设备也是个更好的选择，毕竟它的投入成本在

27、此时就要远远小于指纹设备了。传统单项门禁识别系统经常采用的单一的识别方式有：键盘、RFID、指纹、虹膜、人脸。每一种识别方式都有其不可比拟的特征和优势，同时也存在着不同的缺点和局限性，会或多或少地影响着系统的整体实用性和可靠性。因此单一的门禁系统的认证方式越来越无法满足人们对高安全性和稳定性产品的需求。另外，当单一识别方式的门禁系统的采集设备发生故障时，或者是由于用户自身原因导致识别信息的载体不能用时（如射频卡丢失、指纹破损、忘记密码等），都会导致门禁系统无法正常运行。随着安防威胁不断的升级，门禁系统作为安防重要的组成部分，因其固有的主动防御性优势，让人们更多地考虑如何发挥其特点，为了确保身份

28、认证的可靠性， 同时为了满足不同用户群体的实际应用需求，研究者们推出了多重识别技术的门禁系统。随着多重识别技术的日益发展，其认证方式也更加多元化，市面上比较常见的认证方式有智能卡与和密码双重识别、多重生物识别等，这种门禁系统在安全性、便捷性、适用性等性能方面都有了很大的提升。通常，多重识别门禁系统分为两种：一种是多重识别方式都验证通过后才算有效，另外一种是多重识别方式中的一种验证通过即为有效。无论是哪一种多重识别门禁系统，都提供两种或两种以上的身份认证方式，即在门禁设备的前端需要安装多种识别设备或者是多种识别设备集一体的设备。而单一认证方式的门禁系统由于只需要一种认证方式，所以在门禁设备的前端

29、只需安装一种识别设备。单一识别方式的门禁系统具有操作简便、识别速度快、成本较低、用户范围广等优势;多重识别门禁系统则具有更高的安全性能、不易复制、集多种识别技术于一体，是未来高端门禁系统的发展趋势。多重识别门禁系统的缺点是成本偏高。采集设备之间的组合、比对算法等技术都有待提升，而这些将影响门禁系统的识别率、识别速度等性能。目前，多重识别门禁系统主要应用于政府机构、军事机构、银行金库等安全性较高的场合。目前的门禁识别技术整体还处在一个探索的过程中，因此我们很难寻找出一款所谓的“全覆盖”产品，而是更多的需要我们根据实际情况来进行“量身选择”。虽然在这几年的趋势中，指纹等生物识别的方式已经大大占据了

30、舆论的主流。但是我们要保持冷静的头脑，清晰的分析自己的需求，或许我们能从主流以外的产品中，收获一个更加理想的门禁系统。5.8本课题研究的主要内容和结构门禁系统种类繁多、功能各不相同，针对不同用户的不同需求，门禁系统在软件设计和硬件设计方面都各不相同，差异较大。衡量一个门禁系统的好与坏，首先要考虑的问题是它的安全性能，这也是非常关键的一个问题。目前，门禁系统中常见的两种识别技术分别为指纹识别技术和射频识别技术，它们在不同的领域得到了广泛的应用。本文考虑到单重识别门禁固有的缺陷和局限性，提出了一种多重识别门禁系统，将指纹识别和射频识别两种方式相结合，提高了门禁系统的安全性、适用性和稳定性。通过对文

31、献的阅读和研究，确定了本论文的主要工作是构建一套结合了 RFID 技术与指纹识别技术的智能门禁系统。充分发挥这两种识别技术手段的优点，增强了系统的安全性和稳定性。本文首先对实现系统所需要的关键技术进行了理论分析，然后介绍了系统所需硬件电路的设计以及系统程序的实现，本课题研究的主要内容如下：第一章，主要对门禁系统相关的概念、种类，现状以及发展趋势、本课题研究的背景和意义进行了介绍。说明了论文的主要内容和组织结构。第二章，深入了解 RFID 系统的组成和基本原理、电子标签和阅读器之间的通讯原理。对 RFID 技术的标准、应用领域以及存在的问题进行了分析。第三章，研究了指纹识别原理，说明了指纹图像的

32、采集、预处理、特征提取、特征匹配等过程。第四章，门禁系统硬件电路设计。根据本系统的设计要求选定了器件的类型， 系统选用 STM32 作为微控制器，指纹识别模块选择了光学指纹传感器 AS608，射频识别模块选择了 MF RC522，结合继电器、指示灯、蜂鸣器和电源模块，实现了门禁系统硬件电路的设计，为门禁系统软件部分的设计提供了基础。第五章，PC 机门禁系统应用软件的设计，采用 C#进行设计，能够完成用户信息的登记、注销、修改，实现用户开门信息的记录、查询、等功能。第六章，下位机采用 Keil 作为系统的开发调试环境，采用模块化设计思路， 设计了主程序模块，射频识别门禁模块和指纹识别门禁模块。第 2 章 射频识别系统原理RFID 技术即射频识别技术，是兴起