袁貴鋒　胡雄強　朱亞兵　任康　薛飛勇　趙馮濤

摘 要：為了能夠給在校大學生提供可靠而且安全的校園氛圍，需要設計一款適合自習室的安全管理的門禁系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以Arduino開發(fā)板為基礎，通過利用IC卡進行刷卡，射頻識別讀取IC卡信息，將信息傳送到主機，IC卡適合舵機驅動便可啟動，最后通過LCD顯示器來查看進出信息。通過實驗論證，必須使用限定的IC卡方可開啟舵機驅動，該系統(tǒng)使用起來不僅方便而且還安全，適用于各個安全門禁領域。

關鍵詞：Arduino；射頻識別；IC卡；舵機驅動

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

門禁系統(tǒng)，在智能建筑領域，意為Access Control System，簡稱ACS。門禁系統(tǒng)又被稱為出入口管理控制系統(tǒng)，是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分。門禁系統(tǒng)是將自動識別技術和安全管理措施融為一體，涉及電子、機械、生物識別、光學、計算機、控制、通信等技術[1]。主要解決出入口安全防范管理的問題，實現(xiàn)對人、物的出入控制和管理功能。

目前隨著信息時代的發(fā)展，大量的智能化設備已經(jīng)在我們周圍隨處可見。針對大部分高校的自習室而言，為了能夠有效地獲取自習室的利用情況，例如每天的人流量、進出的高峰期，以及確認這些人的身份信息等。于此同時自習室的開放，為學生創(chuàng)造一個良好的學習氛圍是相當重要的。為了避免以上事件的發(fā)生，以及外來人員的進入，引進門禁系統(tǒng)是相當必要的[2]。自習室的門禁系統(tǒng)的正常運行對自習室的日常管理起著至關的作用，這樣一來不僅給管理人員帶來了方便同時也給學生帶來了好處。

2 自習室門禁系統(tǒng)的組成（The composition of the

self-study room access control system）

基于Arduino開發(fā)板[3]的自習室門禁系統(tǒng)采用設備主要有Arduino UNO R3控制器、LCD1602顯示模塊、非接觸式IC讀卡器、舵機驅動模塊、RFID-RC522射頻識別模塊，以及電源模塊組成。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

（1）電源模塊

主要用220V的日常電壓轉化為開發(fā)板可以用的5V電壓，方便簡潔。

（2）顯示模塊

該模塊主要選擇LCD1602的顯示屏，它用于接收主控機所發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示對應的IC卡的相關信息。

（3）射頻模塊

該模塊主要采用是高度集成的非接觸式（13.56MHz）讀寫卡芯片MFRC522，次發(fā)送模塊利用調制和調節(jié)原理，將他們完全集成到非接觸式通信放到和協(xié)議中[4]。該模塊支持ISO14443A協(xié)議，當IC卡進入到讀卡器的范圍內便會進行讀取預錄入的進行比較。

（4）IC卡模塊

一張具有權限的IC卡，必須要具有開啟的舵機權限，否則無法進入。

（5）舵機驅動模塊

舵機可以實時控制角度，由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成具有閉環(huán)控制系統(tǒng)。工作過程是由控制器發(fā)出PWM（脈沖寬度調制）信號送給內部電路產生一個偏置電壓，再驅動無核心馬達轉動，透過減速齒輪帶動電位器移動，使電影差為零時，電機停轉，同時由位置檢測器（電位器）返回位置信號判斷是否已經(jīng)到達設定位置。

3 硬件系統(tǒng)設計（Hardware system design）

基于Arduino[4]的自習室門禁系統(tǒng)主要包括LCD1602電路、RFID-RC522射頻識別電路、Arduino-UNOR3主模板、舵機驅動電路和IC卡刷卡環(huán)節(jié)。

3.1 系統(tǒng)使用的元器件及連線

3.1.1 LCD1602顯示器連接

LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符實物圖如圖2所示。主要用來顯示一些相關信息，圖3為其電路圖。

顯示屏LCD1602與Arduino控制器的各個引腳的連線如圖4所示。

3.1.2 RFID-RC522連接

射頻識別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術，是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[5，6]。

本模塊采用MF RC522芯片，模塊與Arduino通訊方式為SPI（同步串行外設接口總線）通信，Arduino工作在主模式下，RC522工作在從模式下，模塊與Arduino控制板連接方式如圖5所示。

3.1.3 Arduino-UNOR3主模板

Arduino-UNO-R3是一款易用型開源控制器，處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入，16MHz晶體振蕩器，USB口，電源插座，ICSP header和復位按鈕[7，8]。

3.1.4 SG90舵機

在門禁系統(tǒng)中，舵機擔當著重要的作用[9]。通過Arduino控制sg90舵機轉動，舵機紅色是正極，棕色是負極，黃色為信號。SG90舵機引腳連線如表1所示。

3.2 系統(tǒng)硬件連接電路圖

主要將Arduino-UNO-R3主模板作為控制模塊，通過利用IC卡接觸RFID-RC522射頻識別模塊，以舵機驅動帶動這些模塊，LCD1602作為顯示，最終顯示IC卡是否識別成功，整體電路連接圖如圖6所示。

4 軟件系統(tǒng)設計（Software system design）

根據(jù)硬件設計可知控制元件比較多，因此對應的程序代碼也比較多，為了能夠讓程序合理的去控制各個元件的工作，要采用函數(shù)庫區(qū)進行封裝，使其有模塊化[10]。利用C語言去實現(xiàn)控制功能，按照相應模塊將程序存入其中，不僅簡化了各元件的存儲效果，而且還大大降低了成本，將這些C語言程序全部存儲于Arduino存儲器中，軟件流程圖如圖7所示。

本次設計的是在Windows7系統(tǒng)中，利用Arduino相關的軟件ArduinoIDE1.8.3進行調試過程。本軟件主要提供void setup（）實現(xiàn)每個模塊的初始化函數(shù)，void loop（）實現(xiàn)與接口相連的函數(shù)。該軟件的運行界面如圖8所示。

初始化模塊：

Serial.begin（9600）；//初始化與PC的串行通信

while （！Serial）；//判斷串口是否打開

SPI.begin（）；//打串口開

mfrc522.PCD_Init（）；//初始化FRC522

for（byte i=0； i<6；i++） {

key.keyByte[i]=0xFF；//準備（used as both the key）鑰匙

lcd.init（）； //初始化LCD

lcd.backlight（）； //設置LCD背景等亮

myservo.attach（6）；//設置舵機控制針腳

//通過串口打印輸出相關信息

Serial.println（F（"Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate read and write."））；

Serial.print（F（"Using key （for A and B）："））；

dump_byte_array（key.keyByte，MFRC522：：MF_KEY_SIZE）；

Serial.println（F（"BEWARE： Data will be written to the PICC，in sector #1"））；}

功能模塊：

lcd.setCursor（0，0）；//設置光標位置

if （！ mfrc522.PICC_IsNewCardPresent（））return；//尋找新卡

if （！ mfrc522.PICC_ReadCardSerial（））return；//選擇其中一張卡

//顯示PICC的詳細信息

Serial.print（F（"Card UID："））；

//控制舵機0°到180°順時針和180°到0°逆時針旋轉，每次延時15ms

for（pos=0；pos<180；pos=pos+1） {myservo.write（pos）；delay（15）；}

5 軟硬件測試（Soft and hardware test）

將所有模塊連接好后用USB數(shù)據(jù)線與PC機相連起來，打開ArduinoIDE1.8.3這個軟件，選擇相適應的型號代碼，進行對應的修改，將需要的代碼進行融合，利用如圖8所示的進行編譯運行，控制舵機和識別IC卡功能，操作過程中的運行結果如圖9所示。

6 結論（Conclusion）

為了解決大學生自習教室的出入安全問題，利用Arduino開發(fā)板設計的門禁系統(tǒng)，采用Arduino-UNOR3主模板作為該系統(tǒng)的核心板，利用RFID識別技術進行學生的相關信息識別，從而得到有效解決學生的安全管理。該系統(tǒng)還可以應用于其他方面的行業(yè)，比如家里、圖書館等場所，同時可以為“智慧校園”提供門禁數(shù)據(jù)信息。

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作者簡介：

袁貴鋒（1995-），男，本科生.研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

胡雄強（1996-），男，本科生. 研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

朱亞兵（1979-），男，本科，工程師.研究領域：計算機應用.

任 康（1994-），男，本科生. 研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

薛飛勇（1996-），男，本科生. 研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

趙馮濤（1996-），男，本科生. 研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程.