俞 萍,劉 輝,郭有環(huán)
(廣東培正學(xué)院)
當(dāng)今是信息技術(shù)高速發(fā)展時(shí)代,各種信息技術(shù)都走進(jìn)我們生活中,使得我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化.智能家居也應(yīng)運(yùn)而生,智能家居是以住宅為平臺(tái),利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)[1].智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,提供舒適安全的家庭生活空間,還提供全方位的信息交換,智能化自動(dòng)控制,信息交流更便捷,生活方式更優(yōu)越,增強(qiáng)了家居生活的安全性,節(jié)約了各種資源.智能家居系統(tǒng)將成為現(xiàn)代化住宅發(fā)展的必然趨勢(shì).智能家居也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)物,主要應(yīng)用了嵌入式、無(wú)線通信、傳感器技術(shù)等.
智能門禁系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種智能家居中的防范系統(tǒng),它是通過(guò)安裝在家庭門口或樓宇門口的一種有RFID控制板、電子門鎖、出門按鈕、報(bào)警傳感器和報(bào)警喇叭等設(shè)備組成的一種智能門禁設(shè)備.用戶通過(guò)刷卡(RFID卡)讀取卡號(hào)密碼等信息與服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)其授權(quán)進(jìn)行開(kāi)門的一種裝置,它對(duì)人員的進(jìn)出具有:授權(quán)、查詢、統(tǒng)計(jì)和防盜、報(bào)警等多種功能.他可以與任何機(jī)電設(shè)備及控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng).既方便人員的自由出入,又可以杜絕外來(lái)人員隨意進(jìn)出,提高管理區(qū)域的安全防范能力[2].
該設(shè)計(jì)研究主要是設(shè)置一個(gè)RFID的智能門禁系統(tǒng).當(dāng)拿預(yù)先設(shè)置了密碼的IC卡,向RFID模塊刷卡時(shí),如果密碼不正確,則繼電器常開(kāi),紅燈亮,表示門不開(kāi);如果密碼正確,則繼電器閉合,綠燈亮,坨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),蜂鳴器響,表示開(kāi)門.系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示.
設(shè)計(jì)軟件主要由 Arduino模板、I2C LCD1602模塊(液晶顯示模塊)、RFID模板、繼電器這幾部分組成,在硬件電路的基礎(chǔ)上通過(guò)函數(shù)調(diào)用軟件,以實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)操作和共享.門禁系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示.
(1)RFID讀寫卡程序設(shè)計(jì)
圖1 系統(tǒng)整體框架圖
圖2 門禁系統(tǒng)軟件程序流程圖
射頻技術(shù)也簡(jiǎn)稱RFID,叫做射頻識(shí)別技術(shù),簡(jiǎn)稱射頻技術(shù).RFID模塊可以通過(guò)對(duì)卡號(hào)密鑰進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)數(shù)據(jù)交換和CRC計(jì)算,通過(guò)讀卡、寫卡操作,并調(diào)塊數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)并保存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),進(jìn)行卡號(hào)的驗(yàn)證.
(2)繼電器控制程序設(shè)計(jì)
繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件,廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中,是最重要的控制元件之一[3].這次設(shè)計(jì)主要通過(guò)繼電器的閉開(kāi)狀態(tài)控制坨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),以達(dá)到開(kāi)關(guān)門的設(shè)定.當(dāng)繼電器導(dǎo)通觸發(fā)信號(hào)-高電平有效時(shí),表示為輸出;當(dāng)觸發(fā)信號(hào)-低電平有效,表示斷開(kāi).下面是一個(gè)繼電器控制的核心程序:
程序說(shuō)明:程序中所注釋的導(dǎo)通與斷開(kāi)是指我們想要的那一路即我們使用的是NO端,當(dāng)S送入高電平繼電器開(kāi)關(guān)打向 NO端,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,與之相連的坨機(jī)便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),否則開(kāi)關(guān)打向 NC端,NO方向斷開(kāi),坨機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng).
繼電器針腳說(shuō)明如圖3所示.
圖3 針腳說(shuō)明
(3)I2C LCD1602模塊程序設(shè)計(jì)
在這個(gè)模塊中,使用了 LCD1602 LCD顯示器,將Arduino控制板與LCD顯示器進(jìn)行相連接,并通過(guò)代碼對(duì)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)交互,讓顯示器顯示出門禁系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài),如:當(dāng)密碼正確時(shí)顯示“Welcome”,密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示“Password error”[4-5].
下面是顯示模塊代碼的一部分,當(dāng)密碼正確時(shí)顯示“Welcome”,密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示“Password error”.
該設(shè)計(jì)一共由6個(gè)模塊組成分別是:Arduino模塊、RFID讀卡模塊、開(kāi)門電路、顯示電路報(bào)警電路、電源模塊,通過(guò)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換和信息交換,組成一個(gè)RFID智能門禁設(shè)備,其中各模塊功能如下:
(1)Arduino模塊:Arduino是一個(gè)能夠用來(lái)感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具.Arduino可以與大量的開(kāi)關(guān)、傳感器、led燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備相連接,并且可以對(duì)它們進(jìn)行各種各樣的識(shí)別與控制.Arduino的核心電路圖如圖4所示[4-5]:
圖4 Arduino電路圖
(2)RFID讀卡模塊:射頻技術(shù)也簡(jiǎn)稱RFID,叫做射頻識(shí)別技術(shù),簡(jiǎn)稱射頻技術(shù).由電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成,電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射 頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合、在耦合通道內(nèi),根據(jù)時(shí)序關(guān)系,實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換.RFID讀卡模塊電路如圖5所示.
圖5 RFID讀卡模塊電路
(3)開(kāi)門電路:由繼電器和坨機(jī)組成,對(duì)刷卡后是否能夠進(jìn)行開(kāi)門的顯示.
(4)顯示電路:由I2C LCD1602模塊(液晶顯示模塊)組成,可以直觀地顯示門禁開(kāi)門時(shí)的歡迎語(yǔ)和卡號(hào).顯示電路如圖6所示:
(5)報(bào)警電路:通過(guò)蜂鳴器和其他的元件組成,當(dāng)密碼錯(cuò)誤是,有提示音的警報(bào)功能.報(bào)警電路如圖7所示.
(6)電源模塊:通過(guò)USB線對(duì)門禁系統(tǒng)的電路提供穩(wěn)定的+5V的直流電壓.
圖6 顯示電路
圖7 報(bào)警電路
在進(jìn)行軟件調(diào)試前,先進(jìn)行代碼的人工檢查,在程序中多添加注釋,這樣方便檢查,并且對(duì)設(shè)備電路進(jìn)行檢查.在檢查信息無(wú)誤后,再開(kāi)始進(jìn)行編譯動(dòng)態(tài)檢查,根據(jù)提示信息找出程序中出錯(cuò)的地方進(jìn)行改正修改.檢查無(wú)誤后,對(duì)程序進(jìn)行燒錄到Arduino主板之中,通過(guò)USB接入到移動(dòng)電源,主板電源指示燈亮,整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng),進(jìn)行測(cè)試.
當(dāng)有合法的RFID卡,進(jìn)入到RFID讀卡模塊的讀卡范圍內(nèi)時(shí),則自動(dòng)讀取卡序列號(hào),讀卡成功,開(kāi)門指示燈綠燈亮、繼電器紅燈亮、坨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、LCD顯示“Welcome”,說(shuō)明門開(kāi).實(shí)驗(yàn)成功;當(dāng)非法的RFID卡進(jìn)入RFID讀卡模塊的讀卡范圍內(nèi)時(shí),開(kāi)門指示燈紅燈亮、繼電器沒(méi)反應(yīng)、坨機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)、蜂鳴器響、LCD 顯示“Password error”,說(shuō)明門不開(kāi).實(shí)驗(yàn)成功.
當(dāng)設(shè)備連接上PC機(jī)時(shí),打開(kāi)Arduino軟件測(cè)試時(shí),當(dāng)讀卡成功后,在串口數(shù)據(jù)監(jiān)視窗口會(huì)顯示RFID卡的卡號(hào)和密碼,讀卡失敗后會(huì)顯示RFID卡的卡號(hào)并顯示“error”,實(shí)驗(yàn)成功.
最后整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本完成,此時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)具體功能表現(xiàn)如下:
(1)數(shù)據(jù)采集:RFID讀卡模塊能將讀取到的RFID卡數(shù)據(jù)傳輸出去.
(2)數(shù)據(jù)分析:Arduino板收到數(shù)據(jù)后,能將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī),PC機(jī)再對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.
(3)數(shù)據(jù)處理:在刷卡后,各個(gè)模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換并作出相應(yīng)的處理,例如門控、顯示、報(bào)警等.
通過(guò)這次的設(shè)計(jì)與研究,對(duì)RFID的工作原理有了深刻的認(rèn)識(shí)和熟悉,掌握了有關(guān)Arduino、RFID、繼電器等有關(guān)設(shè)備的基本應(yīng)用與機(jī)開(kāi)發(fā)使用.同時(shí)也了解到物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能門禁的相關(guān)知識(shí).相信在物聯(lián)網(wǎng)不斷進(jìn)步與發(fā)展的時(shí)代里,“智能家居”也會(huì)不斷地發(fā)展,智能門禁也不斷地前進(jìn),這些都將是未來(lái)信息智能化的主要發(fā)展方向.智能家居的建設(shè)任重而道遠(yuǎn),需要緊跟社會(huì)時(shí)代的發(fā)展潮流,為廣大用戶提供更好更安全的家居環(huán)境.
[1] 陳國(guó)棟.基于射頻識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].中南大學(xué),2005.1.
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