基于二代身份证的RFID门禁考勤系统的设计

基于二代身份证的RFID门禁考勤系统的设计
0 引言
M CF52233是飞思卡尔公司推出一款主要用于工业控制的32位芯片[ 1] , 具有稳定性好、可靠性高、接口丰富、存储空间大等优点, 并且集成了网络模块, 已经广泛应用于工业控制领域。

射频识别是一种非接触式的自动识别技术, 目前已广泛应用于物流、制造、公共信息服务等行业[ 2]。

本系统通过射频模块读取二代身份证的序列号, 然后对该序列号作如下处理: 第一, 使用快速查询方法, 查询MCF52233的Flash中已存储的序列号。

若查询成功, 电子门自动打开, 授权刷卡人员进入, 具有门禁的功能。

第二, 若门禁控制器处于脱机工作状态, 则ID序列号暂存于Flash 中, 等联机后再把ID序列号和刷卡时间上传到服务器; 若门禁控制器处于联机工作状态, 则把ID 序列号和刷卡时间直接通过网络或USB 接口上传到服务器。

1 系统总体架构
基于二代身份证的RFID门禁考勤系统(以下简称门禁考勤系统)由二代身份证ID采集器、门禁控制器、服务器管理软件和可控电子门组成, 使用二代居民身份证作为电子标签, 无须购买专门的射频卡, 为用户节省成本, 使用方便。

由于门禁控制器脱机工作时, 能够独立识别ID 序列号,因此要预先把ID序列号下载到门禁控制器的F lash 中, 此
时需要使用ID采集器预先进行ID序列号的采集。

门禁控制器具有以太网和USB接口, 同时支持Type A标准(M ifire 1卡)和Type B 标准(二代身份证) 射频卡, 能根据射频卡上的信息自动识别持卡人是否被授权进入, 从而控制电子门的开和闭; 另外, 它还能记录持卡人进出时间, 具备考勤的功能。

图1所示为门禁考勤系统的执行过程。

图1 门禁考勤系统总体框图
2 系统硬件组成
本系统选择80引脚的M CF52233作为主控芯片, 主要是由于该芯片引脚功能比较丰富, 同时包含网络模块、IIC 模块( 用于对时钟芯片PCF8563进行数据传输)和QSPI模块(用于对液晶进行控制)。

该芯片虽不包含USB模块, 但可使用飞思卡尔生产的M 68HC908JB8的USB 接口。

本系统需实现的功能模块包括: GPIO、UART、QSPI、IIC、PIT、Flash 及USB模块[ 1] 。

图2 为系统硬件组成框图。

图2 系统硬件组成框图
刷卡记录包括刷卡时间和卡号, 因此使用PCF8563时钟芯片保存系统时间, 同时使用MCF52233内部的定时器( PIT) 模块计时, 以延长PCF8563使用的纽扣电池的寿命。

3 系统软件设计
3. 1 MCU方软件设计
M CU 方软件主要分为两大部分: 身份证信息采集软件和门禁控制器软件。

身份证信息采集软件的主要功能: 对ID序列号进行采集,并上传到服务器方的数据库中。

门禁控制器软件的主要功能: ID 索引表和序列号的写入功能、配置参数信息的写入功能、刷卡识别并开门功能和刷卡信息上传功能。

为了能够在主控芯片的F lash 中快速查询到ID序列号, 本系统对Flash区域进行了重新划分(下文介绍), 其中两区
域分别用于存储ID索引表和ID序列号。

身份证信息的写入程序主要是将ID索引表和ID 序列号两部分信息写入到门禁控制器中。

该信息的写入都要通过握手信号, 以确保正确的信息写入到MCF52233的Flash中。

下面主要介绍ID 序列号写入F lash的过程。

图3所示为ID序列号写入F lash的执行过程。

图3 ID序列号的写入流程图
配置参数信息的写入流程与ID序列号的写入流程一致, 这里不再描述。

刷卡识别并开门程序主要实现以下功能: 将当前刷卡的ID序列号读出; 检查该ID 序列号的有效性; 若ID序列号有效, 则开电子门并将该刷卡记录存入到Flash中。

检查身份证ID有效性的程序主要包括三部分函数: 总的查询函数、根据特征值(由ID序列号累加求和取模得到) 到ID 索引表中取得分组首末地址函数和在分组中查询ID序列号函数。

图4所示为查询ID 序列号的总流程图。

图4 查询ID 序列号的总流程图
刷卡信息上传程序主要是将刷卡的信息上传到服务器方入库, 以备查询使用。

上传的信息主要包含刷卡时间和ID 序列号。

如果每刷一条信息就写入F lash, 则必定对F lash 要进行频繁的擦写, 这样会降低系统的效率。

为了提高系统
效率, 采用临时缓冲区的方法, 只有当刷卡记录满一页, 才写入到Flash中。

图5所示为刷卡信息上传流程图。

图5 刷卡信息上传流程图
3. 2 服务器方软件设计
服务器方软件主要实现以下的功能: ID序列号采集功能,对门禁控制器的操作, 人员信息和刷卡信息的数据库操作功能。

ID序列号采集功能是采集ID序列号并保存到服务器的数据库上。

门禁控制器的操作主要有以下几个方面: 门禁控制器系统时间的设置、人员信息的下载、配置参数的下载和刷卡
记录的上传等。

人员信息的数据库操作主要包括: 人员信息的添加、修改、查询和删除操作。

刷卡信息的数据库操作主要包括:刷卡记录的查询和删除操作。

3. 3 服务器方数据库设计
本系统的服务器方数据库主要包含以下两个表: 人员信息表和刷卡信息表。

人员信息表用于保存人员的基本信息, 必需包含字段: 人员编号、姓名、性别、ID序列号, 其中人员编号是主键, 用于唯一标识每条记录。

各字段的长度如下: 人员编号10字节, 姓名10 字节, 性别1字节, ID序列号16字节。

刷卡信息表用于保存刷卡信息。

刷卡记录通过以下方式获得: 服务器读取门禁控制器中的刷卡信息(仅包含ID序列号和刷卡时间), 根据ID序列号查询人员信息表, 获得人员编号和姓名,然后同刷卡时间一并存入到刷卡信息表中。

刷卡信息表包含以下字段: 人员编号10字节, 姓名10字节, 刷卡时间(日期型)。

4 设计要点的讨论
4. 1 F lash分配设计
M CF52233是Co ldFire 的一款芯片, 其可寻址4GB 的地址空间, 地址范围为0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF。

该芯片
具有256KB的F lash和32KB的SRAM, 其Flash存储器的地址范围是0x00000000~ 0x0003FFFF[3] 。

本系统的Flash 存储器划分为5大部分: 程序区域、门禁控制器配置区域、ID 索引表区域、ID 序列号区域和刷卡记录信息区域, 具体的划分如表1所示。

表1 Flash区域划分
ID 索引表每项为8字节, 分别存放每组的起始地址和结束地址; 每个ID序列号为16个字节, 存放8字节的ID 号和预留8字节; 每条刷卡记录信息为16个字节, 存放8 字节的刷卡时间和8字节的ID序列号。

4. 2 ID序列号查询过程
为了能够在MCF52233的Flash中快速查找到匹配的ID 序列号, 作者对几种常用的查询方法进行比较, 发现异或和累加和取模的查询效率比较高。

通过高端软件模拟大量数据, 计算标准差偏移程度, 最终得到累加和取模的效率更高。

因此, 本系统采用累加和取模的方法得到该ID序列号的特征值, 在Flash中把ID序列号分为两部分存储: ID索
引表和ID序列号表。

ID索引表中存储的是模相同的ID 序列号在Flash中的起始地址和结束地址。

图6所示为查询ID 序列号的详细执行过程。

图6 ID序列号的查询流程图
ID序列号查询过程调用以下函数:
u int8 SelectID( u int8 personID[ ], u int8 n leng th)
其功能为: 根据给定的ID 序列号, 查询Flash的ID序
列号表中是否存在该ID序列号。

参数personID为要查询的ID序列号数组; n length为ID序列号的字节数。

SelectID内部又调用以下两个函数:
( 1) u int8 FetchIDGroupAddressFrom IDIndex ( uint8 nIndexVa lue, uint32* pH eadAddr, u int32* pEndAddr)。

其功能为: 根据ID序列号的特征值取得该ID序列号所在分组的首末地址。

参数nIndexValue 为ID 序列号的特征值;pH eadAddr为ID 序列号所在分组的首地址; pEndAddr 为ID 序列号所在分组的末地址。

( 2) uin t8 Se lec tIDFrom IDGroup( uin t8* pH eadlAddr, u int8* pEndAddr, u int8 pe rsonID[ ], u int8 nLeng th)。

其功能为在ID序列号分组中查询是否存在指定的ID序列号。

参数pH ead lAddr为ID分组的首地址; pEndAddr为ID分组的末地址; personID为要查询的ID 序列号的数组; leng th 为ID序列号的字节数。

5 结束语
本系统采用全国统一发行的第二代身份证作为RFID识别的电子标签, 集成了以太网和USB 接口, 具有“脱机”和“联机”两种工作状态, 同时具有门禁和考勤的功能。

本系统经半年的实际使用表明能够在现场高效、稳定地运行。

本文对局域网内的嵌入式系统应用、现有只读卡系统的升级换
代以及二代身份证的应用扩展具有参考价值。