韓改寧，韓麗娜，張清文

基于Arduino開發(fā)平臺(tái)的學(xué)生宿舍門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓改寧，韓麗娜，張清文

（咸陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，咸陽712000）

從學(xué)生宿舍的財(cái)產(chǎn)安全和人員安全管理的角度考慮，開發(fā)一款可為學(xué)生提供有效的安全保障的門禁管理系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以Arduino單片機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，射頻模塊讀取IC卡信息，識(shí)別后通過Arduino平臺(tái)控制安裝在門鎖上的舵機(jī)打開門鎖，并通過LCD顯示模塊顯示門禁系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)信息。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能識(shí)別有權(quán)限的IC卡，在刷卡時(shí)可以開啟門鎖的功能，操作使用方便、成本低、安全性高。

門禁系統(tǒng)；Arduino；射頻模塊；舵機(jī)模塊；IC卡

引 言

門禁系統(tǒng)（Entrance Guard/Access Control System）又稱出入管理控制系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)的門鎖基礎(chǔ)上發(fā)展而來的對(duì)出入口通道進(jìn)行管制的系統(tǒng)，用于管理人員的進(jìn)出，限制未經(jīng)授權(quán)者進(jìn)出特定區(qū)域，從而提供有效的安全保障，還可根據(jù)實(shí)際需要來查詢相關(guān)的出入或操作記錄［1］。

現(xiàn)在的校園開放，越來越社會(huì)化，校園案件急劇上升，高校宿舍學(xué)生眾多，門多不易管理，學(xué)生經(jīng)常忘帶鑰匙，常出現(xiàn)盜竊傷害等事件［2］。近幾年，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民收入水平得到了很大的提高，宿舍安全已成為學(xué)生生活的重要內(nèi)容，學(xué)生迫切需要一個(gè)具有安全可靠，并且可以方便快捷的門禁系統(tǒng)，利用這個(gè)系統(tǒng)使得宿舍開鎖更加方便，同時(shí)為了適應(yīng)信息時(shí)代的需要，保證學(xué)校公寓內(nèi)部的安全性，滿足學(xué)生的需求，門禁系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［3］。門禁系統(tǒng)集電腦技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、和射頻識(shí)別技術(shù)于一體，使卡與鎖之間實(shí)現(xiàn)完整“對(duì)話”功能，以智能卡來控制門鎖的開啟，開創(chuàng)了門禁管理的新概念，它不僅給管理者提供了更安全、更快捷、更自動(dòng)化的管理模式，而且也給使用者帶來了極大的方便。

1　學(xué)生宿舍門禁系統(tǒng)的組成

基于Arduino單片機(jī)的學(xué)生宿舍門禁系統(tǒng)采用Arduino UNO R3作為控制器，選用MFRC522射頻模塊作為非接觸式IC卡讀卡器，舵機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，LCD1602作為顯示模塊，移動(dòng)電源作為供電裝置。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

（1）射頻模塊

射頻模塊采用的是MFRC522，它是13.56 MHz的一種高度集成的可以讀/寫的進(jìn)行非接觸通信的模塊，該模塊支持ISO14443A協(xié)議［4］。該MFRC522的內(nèi)部發(fā)射器部分的設(shè)計(jì)能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)讀/寫器天線，無需額外有源電路與ISO/IEC卡和應(yīng)答器進(jìn)行通信。當(dāng)IC卡進(jìn)入到讀卡器讀卡范圍時(shí)，讀卡器讀取卡序列號(hào)，將其傳給控制器和錄入系統(tǒng)的卡號(hào)進(jìn)行對(duì)比［13］。

（2）舵機(jī)模塊

舵機(jī)就是一個(gè)伺服馬達(dá)，其內(nèi)部有一個(gè)微型的直流電機(jī)，為馬達(dá)提供動(dòng)力；還有一個(gè)變速的齒輪組，齒輪組來帶動(dòng)舵機(jī)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，本實(shí)驗(yàn)中舵機(jī)的作用是用來接受命令后驅(qū)動(dòng)門鎖，達(dá)到開鎖的作用。

（3）電源模塊

將室壓220 V的電壓轉(zhuǎn)化為開發(fā)板可用的5 V電壓，從而用來給所需的硬件設(shè)備提供電力。

（4）顯示模塊

顯示模塊選擇了字符式LCD顯示器1602，該顯示器的顯示容量是16×2個(gè)字符，用來接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相應(yīng)的IC卡卡號(hào)信息、開門提示信息等，進(jìn)行下一步的操作。

（5）門禁lC卡

許可證其實(shí)就是有權(quán)限的IC卡，當(dāng)出現(xiàn)沒有權(quán)限的IC卡時(shí)，系統(tǒng)將不能啟動(dòng)舵機(jī)，只有授權(quán)過的卡才可以開啟門鎖。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Arduino開發(fā)板的宿舍門禁系統(tǒng)的電路包含了以下幾類：射頻模塊信息采集電路、LCD1602顯示電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1元器件的選擇

（1）主控模塊—Arduino UNO R3

Arduino UNO R3是Arduino USB系列的最新產(chǎn)品。UNO的核心處理器是ATmega328，Arduino UNO擁有數(shù)字輸入/輸出口共14個(gè)，存儲(chǔ)區(qū)包括片上32 KB Flash（其中0.5 KB用于Bootloader），以及2 KB SRAM和1 KB EEPROM。脈沖寬度調(diào)制PWM 3、5、6、9、10、11提供6路8位PWM輸出［5］。

（2）讀卡器—射頻模塊MFRC522

該MFRC522是13.56 MHz的一種高度集成的可以讀/寫的進(jìn)行非接觸通信的模塊，該模塊支持ISO14443A協(xié)議。該MFRC522的內(nèi)部發(fā)射器部分的設(shè)計(jì)能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)讀/寫器天線無需額外有源電路與ISO/IEC卡和應(yīng)答器進(jìn)行通信［6］。接收器部分提供了一個(gè)強(qiáng)大的和高效率的執(zhí)行的解調(diào)和解碼電路，從ISO/IEC兼容卡接受應(yīng)答信號(hào)。數(shù)字部分處理完整ISO/IEC14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶校驗(yàn)位）。該MFRC522支持使用更高的傳輸非接觸式通信，速度可達(dá)848 kbps，該模塊與開發(fā)板通過SPI通信。MFRC3522射頻模塊實(shí)物圖如圖3所示。

圖3　射頻模塊MFRC522

（3）LCD液晶—LCD1602

LCD1602主要用于顯示正確及錯(cuò)誤信息，因此從性價(jià)比上考慮，選擇了字符式LCD顯示器1602，該顯示器的顯示容量是16×2個(gè)字符。本系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　LCD顯示屏

本設(shè)計(jì)中，需要將LCD 1602與Arduino單片機(jī)引腳連接起來，如表1所列。

表1　顯示電路引腳連接

（4）門控器件—SG90舵機(jī)

SG90舵機(jī)是電機(jī)的一種，當(dāng)給它一個(gè)角度指令時(shí)，它就會(huì)轉(zhuǎn)到指定的角度，很多機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位用到的都是這種馬達(dá)。工作原理如下：直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器將檢測(cè)結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把反饋結(jié)果與參數(shù)進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)整直到轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，這種反饋的機(jī)理可以大大提高舵機(jī)的精確度。控制線控制伺服馬達(dá)有兩條線，分別為電源線和地線。其中紅色的是電源線，黑色的是地線。高電平維持的時(shí)間不同，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就會(huì)不同。舵機(jī)的實(shí)物如圖5所示。

舵機(jī)的脈沖與角度位置的關(guān)系如圖6所示。

表2顯示了舵機(jī)與Arduino單片機(jī)的引腳連接。

圖5　舵機(jī)實(shí)物圖

表2　顯示電路引腳連接

圖6　舵機(jī)脈沖與角度相位圖

2.2硬件電路原理圖

采用Arduino UNO R3開發(fā)板作為控制器，MFRC522射頻模塊識(shí)別非接觸式IC卡，SG90舵機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，帶I2C總線的LCD1602作為顯示模塊，在Protues下設(shè)計(jì)各個(gè)模塊之間的原理圖如圖7所示。

2.3整體連接

將Arduino UNO R3單片機(jī)、射頻模塊MFRC522、LCD1602顯示屏模塊、舵機(jī)模塊、供電模塊等組合到一塊，如圖8所示。

圖7　Arduino UNO R3單片機(jī)原理圖

3　門禁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制元件較多，程序代碼較多，所以對(duì)MF RC522和LCD1602的控制程序使用封裝好的庫文件。因此，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，以C語言實(shí)現(xiàn)的控制程序，按模塊存儲(chǔ)在Arduino芯片內(nèi)，無需單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于Arduino開發(fā)板的宿舍門禁系統(tǒng)，包括射頻模塊、顯示模塊、舵機(jī)模塊，這些程序全部固化到Arduino的存儲(chǔ)器中。軟件流程圖如圖9所示。

Arduino IDE提供了各種型號(hào)的Arduino開發(fā)板的C編譯器、宏匯編、連接器和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，本課題在Windows 7平臺(tái)下的Arduino IDE 1.6.0版本進(jìn)行調(diào)試。Arduino IDE提供兩個(gè)函數(shù)：void setup（）實(shí)現(xiàn)板塊的初始化操作，void loop（）實(shí)現(xiàn)板塊接口的具體功能。

圖8　硬件整體連接

圖9　軟件流程圖

圖10　Arduino l DE運(yùn)行界面

4　軟硬件測(cè)試

用USB數(shù)據(jù)線將Arduino控制器與電腦連接上，安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)，再將各個(gè)模塊連接好，點(diǎn)擊桌面上的Arduino圖標(biāo)，打開Arduino，選擇電路板型號(hào)，然后在編輯區(qū)編寫代碼，編譯應(yīng)用程序。編譯通過后，將應(yīng)用程序下載到Arduino控制板中，可以識(shí)別卡的信息，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。運(yùn)行效果如圖11～13所示。

［1］Carrier Anne Philbin.零基礎(chǔ)學(xué)Raspberry Pi［M］.北京：人民郵電出版社，2015.

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［7］蘇祥林，陳文藝，閆灑灑.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)［J］.電子科技，2015（9）.

郭亮（高級(jí)工程師），主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、繼電保護(hù)、智能用電等方面的工作。

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用低成本STM8S003微控器開發(fā)高速無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，STM8S003微控器內(nèi)部高級(jí)定時(shí)器具有4個(gè)捕獲/比較通道，3個(gè)互補(bǔ)輸出全部使用，其所有I/O口都已占用，并在內(nèi)部運(yùn)行控制時(shí)序邏輯和PID控制算法，從而使微型高速無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、恒定。本設(shè)計(jì)經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，該設(shè)計(jì)制作小巧、成本低、驅(qū)動(dòng)板能耗小，效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的市場前景。

參考文獻(xiàn)

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鄒存名（講師），主要研究方向?yàn)槎嘧杂啥葯C(jī)械手臂控制研究、嵌入式開發(fā)；韓秀梅（講師），主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的事件觸發(fā)控制，切換系統(tǒng)的控制。

（責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-04-13）

圖11　待機(jī)狀態(tài)

圖12　刷卡后顯示6位卡號(hào)

圖13　有權(quán)限的卡顯示開啟

結(jié) 語

針對(duì)目前高校宿舍安全問題，利用Arduino單片機(jī)設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)，采用IC射頻卡識(shí)別技術(shù)、舵機(jī)控制技術(shù)及LCD顯示技術(shù)，解決了過去單片機(jī)焊接線路板子的繁瑣過程，大大提高了工作效率。模塊化的接口設(shè)計(jì)方便其與其他模塊的組合，使得門禁系統(tǒng)的功能更加多元化。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于其他需要監(jiān)管的門禁場所。

參考文獻(xiàn)

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韓改寧（講師），主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)。

（責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-03-31）

Student Dormitory Access Control System Based on Arduino Platform

Han Gaining，Han Lina，Zhang Qingwen
（School of Computing，Xianyang Normal Universty，Xianyang 712000，China）

Aiming at the property safety and personnel safety management of students dormitory，an access control system is designed. This design takes the Arduino as the development platform，the RF module identifies the IC card information，and then the steering gear is controlled to open the door lock through the Arduino platform.The LCD display module can display the different status information of the entrance guard system.The experiment results show that the system can identify the IC card with authority，and the card can open the door.The system has the functions of easy to use，low cost and high security.

access control aystem；Arduino；radio frequency module；steering engine；IC card

TP39.1

A

??楊迪娜

2016-03-31）

*項(xiàng)目名稱：咸陽師范學(xué)院引進(jìn)人才項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：13XSYK053）；校級(jí)

科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：12XSYK071）。