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摘要：射频识别技术作为一种新型的自动识别技术，具有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点。针对计算机开放实验室管理中存在的问题，将射频识别技术引入到实验室门禁系统中，提高了实验室管理的科学性和可靠性。文章阐述了RFID的工作原理、系统的结构及其实现。
关键词：RFID；实验室；门禁系统
中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)21-30552-03
Design of Laboratory Entrance Guard System Based on RFID Technology
XIE Xin-hua, JIAO Ge, ZHAO Lei
(Department of Computer Science, Hengyang Normal University, Hengyang 421008, China)
Abstract: The radio frequency identification is a kind of new-type automatic identification technology. It has more dependability characteristic such as being strong reliability, convenient and swift privacy. Aiming at the problems existing in managing open computer lab, the RFID technology is applied in lab entrance guard system that improves the science and the reliability of the system. This paper expounds the work principle of the RFID, the structures of the system and its implement.
Key words: RFID; Laboratory; Entrance Guard System
1 引言
在高校建立能充分适应计算机教学和研究的新型开放性计算机实验室，是高等教育培养创新人才、实现素质教育
目标的客观要求。考虑到实验教学需求和实验室设备的安全性，现在高等学校通常采取人员职守的开放管理方式，实验室仍然要安排教师全天候值守，增加了教师的值班工作量和工作强度，而且对实验室的安全管理方面也增加了很大困难，在某种程度上制约了开放实验室的建设与发展。使用计算机系统来进行实验室的管理工作，可以大大提高实验室管理水平和工作效率，降低实验室管理费用。为此，本系统将RFID和计算机控制技术通过门禁系统引入到实验室管理中，解决计算机实验室开放管理中非常棘手的门禁管理问题。
2 RFID技术原理及主要特点
射频识别技术是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它成功地将射频识别和电子标签技术结合起来，利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合进行非接触双向通信实现对各类物体、设备或人员在不同状态（移动或静止）下的自动识别和数据交换。
2.1 工作原理
典型的射频识别系统主要由三部分构成：电子标签、读写器和主机。
电子标签（Tag)：又称射频卡，由耦合元件及带有天线的芯片组成。电子标签能够贮存有关物体的数据信息。在自动识别管理系统中，每一个电子标签中保存着一个物体的属性、状态、编号等信息。电子标签具有智能读写和加密通信功能，它是通过无线电波与读写设备进行数据交换。工作能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。读写器 (Reader)：也被称为查询器、阅读器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。读写器与控制计算机或可编程逻辑控制器（PLC）连接从而实现它的沟通功能，将主机的读写命令传送到电子标签、把从主机发往电子标签的数据加密后写入标签中、将电子标签返回的数据解密后送到主机。主机:主要完成数据信息的存储及管理、对标签进行读写控制等。
RFID工作原理如下：
首先由读写器接到上位计算机的命令后，读写器将要发送的信号经编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经射频天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，一方面标签内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号；同时标签内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后由电子标签集成天线发送给读写器，读写器对接收的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理、若为修改信息的命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM时所需的高压，以便对EEPROM的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。于是便实现了主机、读写器、电子标签之间的信息传递。
2.2 主要特点
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境，具有识别精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷方便等诸多优点，还具有以下特点：1)非接触操作，长距离识别，具有穿透性和无屏障阅读功能、无需可见光源；2)无机械磨损，寿命长，可重复使用，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；3)可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签；4)读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；5)数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；6)读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储；7)具有防碰撞机制，防止电子标签之间出现数据干扰，其读写时间少于10ms，认证、数据交换在100ms之内；8)体积小型化、形状多样化，RFID在读取上不受尺寸大小与形状限制。
3 系统设计与实现
门禁系统属于智能弱电系统中的一种安防系统，是对重要区域或通道出入口进行管理和控制的系统。它作为一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和现代安全管理措施为一体。
本系统利用RFID射频识别技术，实现计算机实验室门禁管理以及实验室设备安全管理的解决方案。
3.1 系统结构及工作原理
门禁管理系统主要由门控制器、区控制器、中央控制器和上层软件4部分构成，如图2。门控制器包括射频读卡器、控制电路和电控锁，具有读卡、对卡号进行有效性验证、控制电控锁的开启和记录进出门事件等功能；区控制器以AT90S8515单片机为核心，外接静态数据存储器RAM62256和RS485总线，可给门控制器供电并能循环存储门控制器形成的记录；中央控制器可访问区控制器存储的记录并能将这些记录转换成遵循TCP/IP协议的数据，通过网线传输至上层管理软件，也可以接收上层管理软件发送的命令数据并将其传给区控制器；上层管理软件具有多级密码升陆、注册、卡号权限设置、数据库管理和报警等功能。门控制器、区控制器和中央控制器的数据传输是通过RS485总线进行的，而上层软件和中央控制器数据的传输遵循TCP/IP协议，通过网线传输，中央控制器具有唯一的IP，因此，任何与Internet连接的PC机安装好上层门禁管理软件后，即可管理该门禁系统。
3.2 RFID技术的实现
在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。在RFID工作的空间通道中建立了三种事件模型：
1)以能量提供为基础的事件模型：阅读器向电子标签提供工作能量，当标签离开射频识别场时，标签由于没有能量的激活而处于休眠状态；当标签进入射频识别场时，阅读器发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整流的方法将射频波转换为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供能量，完成数据的交换。
2)以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型：时序指的是阅读器和标签工作次序。对于无源标签一般是阅读器主动唤醒标签；对于有源标签或多标签同时识读，可以采用阅读器唤醒标签，也可以是标签主动向阅读器传送信息。
3)以数据交换为目的的事件模型：阅读器和标签之间的数据通信是双向的。阅读器向标签写入数据或阅读数据是非接触方式的。标签被激活后，根据阅读器指令转入数据发送状态或写入状态，工作结束后阅读器发送休眠指令，标签进入休眠状态。
3.3 门禁系统的实现
计算机开放实验室采用全自动化管理后，实验室无需人员职守，因此门禁系统就是开放实验室的安全屏障。进入实验室的人员必须由门禁管理系统进行合法性检查，通过后方可进入。对于未经过门禁管理系统合法性检查的非法人员，系统采取多种报警方式，其中一种方式是向教师管理室的监控台发出报警，通知值班老师，采取相应措施。
系统采用先进的RFID识别技术，利用计算机网络技术和数据处理技术，实现高度自动化对计算机实验室进出人员进行准确、快速、自动的识别验证。
系统工作过程为：用户将持有的RFID卡接近读卡器时，读卡器识别卡信息并通过串口将卡信息传送给单片机控制器。单片机控制器将卡信息与外部EEPROM中存储的信息比较，验证用户权限，进而控制门状态。单片机通过另一个串口经由RS485收发器通过总线与中央控制器通信，将卡信息、各时刻操作信息、键盘信息等传送到总线上，中央控制器通过总线对这些信息进行文件和数据库的存储；同时，中央控制器对各用户的卡、密码及个人信息以注册或者注销等形式进行数据库管理，以便于查询。
实验室内所有设备上都贴有专用RFID标签，设备如被故意带离实验室，门口的门禁系统会自动检测、报警。阅读器自动读取设备和携带者的身份信息、摄像机抓拍现场的图像信息，通过管理系统将上述综合数据及报警信号传送到设备显示屏和教师管理室的监控台，提醒实验室管理人员，从而保证实验室设备的安全。
4 总结
利用RFID技术，在计算机开放实验室管理中，能够完全准确地实现对实验者身份的快速识别和实验设备的安全管理，并且可以提高开放实验室的工作效率。本文分析了RFID的工作原理和特点，对基于RFID技术的实验室门禁管理系统进行了设计和实现。
参考文献：
[1] 刘冬生,邹雪城,刘政林,等.RFID标签芯片的最新研究进展[J].微电子学,2007,37(6):779－782.
[2] 杨莉,郑传涛,宋占伟,等.基于RS485总线和RFID的智能门禁系统实现[J].青岛科技大学学报,2007,28(5):467－470.
[3] 朱玉玉,蔡波.实验室门禁管理系统的设计[J].兵工自动化,2005,24(4):92-94.
关键词：RFID；实验室；门禁系统
中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)21-30552-03
Design of Laboratory Entrance Guard System Based on RFID Technology
XIE Xin-hua, JIAO Ge, ZHAO Lei
(Department of Computer Science, Hengyang Normal University, Hengyang 421008, China)
Abstract: The radio frequency identification is a kind of new-type automatic identification technology. It has more dependability characteristic such as being strong reliability, convenient and swift privacy. Aiming at the problems existing in managing open computer lab, the RFID technology is applied in lab entrance guard system that improves the science and the reliability of the system. This paper expounds the work principle of the RFID, the structures of the system and its implement.
Key words: RFID; Laboratory; Entrance Guard System
1 引言
在高校建立能充分适应计算机教学和研究的新型开放性计算机实验室，是高等教育培养创新人才、实现素质教育
目标的客观要求。考虑到实验教学需求和实验室设备的安全性，现在高等学校通常采取人员职守的开放管理方式，实验室仍然要安排教师全天候值守，增加了教师的值班工作量和工作强度，而且对实验室的安全管理方面也增加了很大困难，在某种程度上制约了开放实验室的建设与发展。使用计算机系统来进行实验室的管理工作，可以大大提高实验室管理水平和工作效率，降低实验室管理费用。为此，本系统将RFID和计算机控制技术通过门禁系统引入到实验室管理中，解决计算机实验室开放管理中非常棘手的门禁管理问题。
2 RFID技术原理及主要特点
射频识别技术是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它成功地将射频识别和电子标签技术结合起来，利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合进行非接触双向通信实现对各类物体、设备或人员在不同状态（移动或静止）下的自动识别和数据交换。
2.1 工作原理
典型的射频识别系统主要由三部分构成：电子标签、读写器和主机。
电子标签（Tag)：又称射频卡，由耦合元件及带有天线的芯片组成。电子标签能够贮存有关物体的数据信息。在自动识别管理系统中，每一个电子标签中保存着一个物体的属性、状态、编号等信息。电子标签具有智能读写和加密通信功能，它是通过无线电波与读写设备进行数据交换。工作能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。读写器 (Reader)：也被称为查询器、阅读器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。读写器与控制计算机或可编程逻辑控制器（PLC）连接从而实现它的沟通功能，将主机的读写命令传送到电子标签、把从主机发往电子标签的数据加密后写入标签中、将电子标签返回的数据解密后送到主机。主机:主要完成数据信息的存储及管理、对标签进行读写控制等。
RFID工作原理如下：
首先由读写器接到上位计算机的命令后，读写器将要发送的信号经编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经射频天线向外发送，进入读写器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，一方面标签内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号；同时标签内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后由电子标签集成天线发送给读写器，读写器对接收的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理、若为修改信息的命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM时所需的高压，以便对EEPROM的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。于是便实现了主机、读写器、电子标签之间的信息传递。
2.2 主要特点
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境，具有识别精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷方便等诸多优点，还具有以下特点：1)非接触操作，长距离识别，具有穿透性和无屏障阅读功能、无需可见光源；2)无机械磨损，寿命长，可重复使用，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；3)可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签；4)读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；5)数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；6)读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储；7)具有防碰撞机制，防止电子标签之间出现数据干扰，其读写时间少于10ms，认证、数据交换在100ms之内；8)体积小型化、形状多样化，RFID在读取上不受尺寸大小与形状限制。
3 系统设计与实现
门禁系统属于智能弱电系统中的一种安防系统，是对重要区域或通道出入口进行管理和控制的系统。它作为一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和现代安全管理措施为一体。
本系统利用RFID射频识别技术，实现计算机实验室门禁管理以及实验室设备安全管理的解决方案。
3.1 系统结构及工作原理
门禁管理系统主要由门控制器、区控制器、中央控制器和上层软件4部分构成，如图2。门控制器包括射频读卡器、控制电路和电控锁，具有读卡、对卡号进行有效性验证、控制电控锁的开启和记录进出门事件等功能；区控制器以AT90S8515单片机为核心，外接静态数据存储器RAM62256和RS485总线，可给门控制器供电并能循环存储门控制器形成的记录；中央控制器可访问区控制器存储的记录并能将这些记录转换成遵循TCP/IP协议的数据，通过网线传输至上层管理软件，也可以接收上层管理软件发送的命令数据并将其传给区控制器；上层管理软件具有多级密码升陆、注册、卡号权限设置、数据库管理和报警等功能。门控制器、区控制器和中央控制器的数据传输是通过RS485总线进行的，而上层软件和中央控制器数据的传输遵循TCP/IP协议，通过网线传输，中央控制器具有唯一的IP，因此，任何与Internet连接的PC机安装好上层门禁管理软件后，即可管理该门禁系统。
3.2 RFID技术的实现
在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。在RFID工作的空间通道中建立了三种事件模型：
1)以能量提供为基础的事件模型：阅读器向电子标签提供工作能量，当标签离开射频识别场时，标签由于没有能量的激活而处于休眠状态；当标签进入射频识别场时，阅读器发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整流的方法将射频波转换为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供能量，完成数据的交换。
2)以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型：时序指的是阅读器和标签工作次序。对于无源标签一般是阅读器主动唤醒标签；对于有源标签或多标签同时识读，可以采用阅读器唤醒标签，也可以是标签主动向阅读器传送信息。
3)以数据交换为目的的事件模型：阅读器和标签之间的数据通信是双向的。阅读器向标签写入数据或阅读数据是非接触方式的。标签被激活后，根据阅读器指令转入数据发送状态或写入状态，工作结束后阅读器发送休眠指令，标签进入休眠状态。
3.3 门禁系统的实现
计算机开放实验室采用全自动化管理后，实验室无需人员职守，因此门禁系统就是开放实验室的安全屏障。进入实验室的人员必须由门禁管理系统进行合法性检查，通过后方可进入。对于未经过门禁管理系统合法性检查的非法人员，系统采取多种报警方式，其中一种方式是向教师管理室的监控台发出报警，通知值班老师，采取相应措施。
系统采用先进的RFID识别技术，利用计算机网络技术和数据处理技术，实现高度自动化对计算机实验室进出人员进行准确、快速、自动的识别验证。
系统工作过程为：用户将持有的RFID卡接近读卡器时，读卡器识别卡信息并通过串口将卡信息传送给单片机控制器。单片机控制器将卡信息与外部EEPROM中存储的信息比较，验证用户权限，进而控制门状态。单片机通过另一个串口经由RS485收发器通过总线与中央控制器通信，将卡信息、各时刻操作信息、键盘信息等传送到总线上，中央控制器通过总线对这些信息进行文件和数据库的存储；同时，中央控制器对各用户的卡、密码及个人信息以注册或者注销等形式进行数据库管理，以便于查询。
实验室内所有设备上都贴有专用RFID标签，设备如被故意带离实验室，门口的门禁系统会自动检测、报警。阅读器自动读取设备和携带者的身份信息、摄像机抓拍现场的图像信息，通过管理系统将上述综合数据及报警信号传送到设备显示屏和教师管理室的监控台，提醒实验室管理人员，从而保证实验室设备的安全。
4 总结
利用RFID技术，在计算机开放实验室管理中，能够完全准确地实现对实验者身份的快速识别和实验设备的安全管理，并且可以提高开放实验室的工作效率。本文分析了RFID的工作原理和特点，对基于RFID技术的实验室门禁管理系统进行了设计和实现。
参考文献：
[1] 刘冬生,邹雪城,刘政林,等.RFID标签芯片的最新研究进展[J].微电子学,2007,37(6):779－782.
[2] 杨莉,郑传涛,宋占伟,等.基于RS485总线和RFID的智能门禁系统实现[J].青岛科技大学学报,2007,28(5):467－470.
[3] 朱玉玉,蔡波.实验室门禁管理系统的设计[J].兵工自动化,2005,24(4):92-94.