NFC门禁控制系统研究与设计

曹泽玲，王 琪

(南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063)

0 引言

当前，国内的门禁系统大多基于RFID射频识别技术。近场通信(Near Field Communication,NFC)技术是检测范围在10 cm内进行设备间数据交换的新型技术,适用于门禁系统。

与传统RFID卡相比，NFC卡具有价格及功率低、兼容性强、安全性更高、可与SD卡集成应用等优势。作为近距离无线通信互连领域极富竞争力的技术，NFC技术在门禁管理领域的应用前景越来越好。

1 NFC的基本工作原理与工作方式

NFC技术由无线射频识别技术(RFID)演变而来，并向下兼容RFID[1]。基础NFC设备主要包括Reader、Tag和Application三个部分，通信模式分为主动和被动两种，工作方式包括点对点模式、读写模式、卡模式三种[1]。NFC工作原理可简单归纳为以下三个步骤：

(1)侦测标签：NFC读取器持续产生频率为13.56 MHz的正弦波信号，当有标签接近磁场扰动范围时，经磁场亲合获得能量，产生原正弦波反频率或改变频率属性的波，读取器探测到这种改变，知道附近有标签进入磁场，或者由有源标签主动发送某一频率的信号。

(2)读取标签：读写器通过天线将编码加载至高频段的信号发出，靠近读写器的标签检测到该信号后，标签内部芯片相应电路对其进行整流、调制、解码处理，最后对系统请求、权限等加以判断。

(3)读取器读取到解码信息并将其交由应用软件处理。

2 NFC的标签与读取器

2.1 NFC标签

标签包括有源和无源线圈两种，—般由金属线圈和逻辑线路组成[1]。设计中使用的标签主要由电阻电容及电感和部分线圈组成，其电路如图1所示。

图1 标签内的集成电路

NFC的标签是被动式装置，可与主动式读写器进行通信。标签自身无源，它在阅读器产生的电磁场中获得能量，然后进行数据的调制，通过直接调制或相位调制开始发送调制信息。标签与智能手机间数据及能量的交换如图2所示。

图2 NFC标签与智能手机识别与通信

2.2 NFC读取器

读取器通常是基于一个微控制器，带一个能产生13.56 MHz无线电频率的集成电路。内部集成有编码器、解码器、比较器和天线。Reader的技术要求[1]主要有：

(1)Reader要能够通过电磁场为Tag提供足够的能量；

(2)解决多个Reader间的干扰；

(3)面对大量的Tag数据，Reader要有过滤能力；

(4)收发信号间有70 dB的差距，要能准确接收。

3 系统硬件设计

3.1 门禁系统组成

设计的NFC门禁系统[2]主要包括主控制器模块和非接触式NFC卡或带有NFC功能的智能手机两部分。其中，主控制器由主控CPU模块、射频芯片PN544及天线模块、门锁控制模块、上位机管理模块、安全报警模块、TFTLCD液晶显示模块、按键控制模块等部分组成。整个系统的结构框图如图3所示。

系统工作原理是：STM32作为主控CPU加上外围TFTLCD显示、按键控制、报警、门锁控制等模块组成门禁阅读器系统，当有NFC卡或带有NFC功能的智能手机靠近阅读器时，由电磁感应原理，相关信息一路反馈至阅读器控制CPU，CPU发送门锁控制指令至各模块，完成显示、报警或电插锁动作，另外可通过键盘输入开锁密码直接开锁；另一路反馈到USB连接的上位机进行用户信息管理等。

3.2 芯片选型

3.2.1主控芯片

综合考虑系统控制要求及芯片各方面性能，选用ARM公司的STM32F103RCT6芯片作为主控CPU。其特色包括：功耗小、性价比高、集成度高、外设丰富等。外设包括 UART接口、SPI接口、12位的ADC电路、复位电路、RC振荡器等。STM32F103芯片的电压工作范围为2 V～3.6 V,I/O口兼容5 V电路,并且包含带唤醒功能的低功耗模式与安全的时钟模式[3]。STM32F103RCT6是64脚STM32F103系列的高端芯片，128 KB的FLash存储器和高达20 KB的SRAM可存储大量用户数据，从而在设计门禁控制器时不需要外接存储芯片，简化了整个设计过程[4]。鉴于以上优势，选择该芯片作为主控CPU。系统外围电路包含有电源模块、人机接口模块、存储器、RTC电路、NFC读卡器接口电路、门禁锁控制接口电路等部分。主控芯片IO口扩展电路图如图4所示。

图3 门禁系统结构框图

图4 主控芯片IO口扩展

3.2.2NFC芯片PN544

PN544芯片内核是基于低功耗HT80C51MX的微控制器，配置128 KB ROM，5 KB动态RAM，52 KB的EEPROM[5]。该芯片是一款性能较好、使用范围广、支持协议标准丰富的NFC芯片。

NFC芯片中，PN511和PN512内部未配置MCU，而PN531及PN532不支持 ISO1443-B 协议。为了简化硬件资源，尽量选用携带 MCU 的芯片，相同条件下优先选用支持标准更多的芯片。PN65N性能更佳但成本较高。相比于其他芯片，PN544 的性能最强，支持协议标准最丰富，支持 SWP 协议，故优先选用。

PN544作为系统读写器核心部分，是非接触式模拟卡的核心单元。其主要功能包括：

(1)支持主被/动模式。

(2)在读写器核心模式下支持标准协议，包括：ISO14443 TypeA/ISO14443 TypeB、Sony Felica和Mifare Classic、ISO 15693。

(3)点对点模式下数据传输速率可有106 kb/s、212 kb/s、424 kb/s三种，且可传输4种类型的标签数据[5]。

图5所示为系统读写器部分PN544核心模块电路图。

图5 PN544核心模块电路连接图

3.3 电源电路设计

整个门禁控制系统应用经220 V降压转换为12 V的电源模块。而系统中用到的电源包括+12 V、+5 V、+3.3 V,其中门锁控制驱动电压为+12 V，主CPU及外围器件使用+3.3 V。通信电路应用+5 V电源。因此需要对12 V输入电压进行转换。

LM7805是一种具有过压、过流、过热保护的性能稳定的三端稳压集成芯片[6]。常用输入9～15 V，输出+5 V。设计中用其实现12 V～+5 V的电压转换。转换电路如图6(a)所示。

图6 电压转换电路

LM1117是一个低压差线性电压调压器,其有5个固定输出电压(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V、5 V),最大电流可达800 mA[7]。其优势是可提供电流限制和热保护功能。设计中用其将5 V输入电源转换成3.3 V。其转换电路如图6(b)所示。

3.4 门禁锁控制电路

门锁控制电路及主控板与NFC读卡器接口电路如图7所示，通过STM32的相应IO口控制三极管的导通与截止来控制门禁锁的关闭与打开，门锁控制总结为上电(12 V)开锁，断电关门。门锁开关由主控板控制接口与门禁自动电插锁连接经信号触发实现。

图7 门禁锁控制电路

3.5 人机接口模块设计

人机接口模块包括按键、指示灯、显示、蜂鸣器。其中显示模块应用TFTLCD液晶模块，其电路连接如图8所示，按键控制模块采用4×4键盘。

4 软件设计

4.1 门禁开锁流程

图9所示为系统控制主流程图，系统初始化后分别执行喂狗程序、按键程序、读写器处理程序、显示子程序及电插锁动作控制程序。

图8 TFTLCD模块连接

图9 门禁系统主程序流程图

图10所示为智能NFC卡或移动终端开锁流程图，预开锁用户首先需经过身份认证，通过后继续检测NFC卡或终端是否具有开锁权限，只有拥有开锁权限的用户才可通过刷NFC卡或手机来开锁。

图10 智能NFC卡或移动终端开锁流程图

4.2 APP模拟卡开锁

移动终端APP[8]检测界面显示如图11所示。这里通过使用NFC智能手机代替门禁IC卡的方式，由APP端检测NFC智能卡，检测到IC卡的ID，然后通过移动终端内RE管理器对机身自带NFC标签的ID进行修改，使之与IC卡相同，之后即可通过手持该智能手机实现门禁开锁。

图11 APP检测界面

4.3 门禁管理上位机界面

门禁系统上位机管理采用C#编程实现，其中包括用户身份识别、系统当前时间设置、智能卡的添加与删除、开锁密码的修改等模块。界面设置如图12所示，右上角为系统当前日期显示部分。

在实验阶段上位机与门禁系统通过USB连接实现通信与管理。后期使用时通过无线局域网实现信息交互与数据通信。该部分主要通过C#上位机通信程序实现。

图12 门禁管理上位机界面

用户存储与管理由管理员通过门禁阅读器输入系统密码及用户信息管理密码，进行用户信息添加或删除处理。或者通过上位机门禁管理系统，管理员通过输入用户ID，识别后根据用户详细信息进行添加或删除操作。同时可通过系统对门禁系统的开锁密码进行更改。

5 系统测试

对整个系统各模块进行实物连接测试，通过智能NFC卡及具有NFC功能的手机或按键输入设定密码皆可实现门禁锁的开关动作。测试结果显示：门禁控制的基本功能均可实现，与预期相符。

6 结束语

本文设计了基于无线通信NFC新型技术的门禁控制系统，检测范围在10 cm内，具有天然的安全性。门禁功能可通过NFC门禁卡、解锁密码、智能手机APP三种方式实现；门禁系统管理通过USB连接的上位机实现。设计优势在于成本较低、功耗较低、兼容性强、天然的

安全性、工作效率较高且系统容错性较好，可基本满足智能、安全、高效的现代化门禁管理要求。

有待进一步改善的是：门禁功能实现方式中，智能手机代替IC卡部分可进一步实现智能卡与SD卡集成方式，其管理可由移动终端APP实现。

[1] 陈俊杰，朱志杰，温耀军.基于PN532的接触式和非接触式读卡器设计[J].电子技术应用，2010,36(5):109-113.

[2] 彤英衫.嵌入式多功能门禁系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2009.

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

[4] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,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] 孙宏.基于ARM的嵌入式门禁控制器的硬件设计[J].微计算机信息,2011,27(3)：89-91.

[7] 汪亮.基于近场通信技术的门禁系统研究和设计[D].长沙：湖南大学,2013.

[8] 董琦.基于Android平台的NFC终端设计[D].成都：电子科技大学,2013.