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        辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現*

        2022-01-14 07:20:24李青君孟慶昊
        科技創(chuàng)新與應用 2022年2期
        關鍵詞:門禁系統(tǒng)蜂鳴器舵機

        沈 妍,李青君,孟慶昊,蘇 波

        (首都師范大學 物理系,北京100048)

        目前,許多辦公區(qū)域對門禁系統(tǒng)的需求越來越多,用戶對這類產品用量的增加,充分體現了人們對射頻識別產品的認同,并逐步擴大其應用范圍。就目前來說較為有效、安全方便的身份認證技術就是射頻識別技術,門禁系統(tǒng)通過采用RFID 刷卡、射頻識別來進行身份驗證,當今世界上RFID 卡主流產品普遍應用飛利浦(Philips)公司的Mifare 技術,RFID 的整套系統(tǒng)包含3 個部分,分別是RFID 電子標簽、讀寫器和計算機及應用軟件[1]。已經被認定為國際標準ISO/IEC14443 Type A 標準。歐洲及其他發(fā)展中國家的一些RFID 卡、讀卡器制造商都以Mifare 技術為標準進行設計生產[2]。用RFID 卡來代替人工又或者是代替鑰匙,更加方便操作。

        采用電子標簽取代了傳統(tǒng)的機械門鎖的RFID 門禁系統(tǒng),采用系統(tǒng)的數據處理單元進行自動化管理。射頻識別門禁系統(tǒng)的用戶不用再經過繁瑣的過程開門。此外,因本次設計是辦公區(qū)域的門禁設計,門控流量較少,且出入人員相對單一,射頻門禁設備是個很好的選擇。

        鍵盤、指紋、人臉、RFID、虹膜等是經常采用的單項門禁識別系統(tǒng)的識別方式。每一種識別方式都有其不可比擬的特征和優(yōu)勢,本次設計使用的是RFID 卡的認證方式,會事先將辦公區(qū)域的人員信息錄入到存儲器中,這種識別方式的門禁系統(tǒng)具有操作簡便、識別速度快、成本較低、用戶范圍廣等優(yōu)勢[3]。辦公區(qū)域的門禁系統(tǒng)主要針對進出大樓進行管理與控制,對于傳統(tǒng)的利用人來管理控制的門禁來說,隨著經濟的快速發(fā)展,這種低效率低回報的方式不再適用,可靠性也沒有那么高,所以通過此次引入射頻識別技術,實現通過刷卡來控制人員的進出,防止外來人員的進出,變得十分必要。

        本次設計是將數據線連接電腦,電腦供電,打開電腦后,電源開始供電,上位機運行,下位機將收到讀卡命令,在讀卡范圍內若讀到RFID 卡,則卡的序列號會被自動讀取,并傳輸給上位機,并判斷卡是否為有效卡,若為有效卡,Arduino 會控制舵機模塊轉動從而開門,并在LCD顯示屏上顯示信息,若為非法的卡,則蜂鳴器報警,并顯示非法進入。

        近些年物聯網技術逐漸受到廣泛的關注,不斷發(fā)展的物聯網技術涉及各個范圍,而在這其中涉及范圍最廣的是射頻識別技術,應用也較為廣泛,利用無線電訊號方式的RFID 射頻識別技術是識別RFID 標簽等目標并且物理接觸不需要被建立。利用RFID 技術構建的門禁管理系統(tǒng)可以實現無人化管理,避免人為因素的影響,使得系統(tǒng)具有良好的可靠性和安全性。本文所介紹的就是這樣一種基于RFID 物聯網技術的門禁管理系統(tǒng)的設計。

        本系統(tǒng)采用Arduino UNO 開發(fā)板作為硬件基礎燒錄代碼,使用通過IIC 轉接的顯示屏來顯示當前用戶信息,能夠方便地顯示是否為當前大樓人員,若為非法入侵,蜂鳴器會響應,十分方便安全,適合辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)對于出入人員的管理控制。

        1 實驗部分

        1.1 硬件設計模塊

        硬件模擬連接如圖1 所示,開發(fā)板上面連接了五個模塊,分別是舵機模塊、蜂鳴器模塊、LCD 顯示屏模塊、TTS 語音播報模塊、射頻識別模塊。在這五個模塊共同作用下,完成辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現,同時還具備報警功能。本文中的辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現的硬件電路連接分為五個部分,分別是:Arduino UNO R3與MFRC522 射頻識別模塊的連接,Arduino UNO R3 與LCD1602 顯示模塊的連接,Arduino UNO R3 與舵機的連接,Arduino UNO R3 與蜂鳴器的連接,Arduino UNO R3 與TTS 語音播報模塊的連接。各個模塊通過杜邦線實現與Arduino UNO R3 開發(fā)板的連接。

        圖1 硬件連接實物圖

        1.2 軟件控制模塊

        打開Arduino 軟件,用數據線與UNO 板相連,保證RXD 與TXD 端在燒錄代碼時不被占用,將代碼通過軟件燒錄進開發(fā)板中,即可讓硬件開始工作。本文中使用Arduino IDE 平臺進行系統(tǒng)程序的編譯,程序調試完成后使用USB 數據線上傳到所使用的Arduino UNO R3 單片機的存儲器中。

        在對辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計中,MRFC522 射頻模塊、LCD1602 顯示模塊以及SG90 舵機等模塊的控制程序都直接寫入到Arduino UNO R3 單片機的存儲器中。在本次設計中,主要的部分就是當刷卡時,通過對MRFC522 射頻識別模塊的編程實現對 RFID 卡一系列操作,其中主要包括了卡片讀寫、卡片休眠和防沖突等操作。

        1.3 系統(tǒng)測試

        1.3.1 硬件測試環(huán)境

        本辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現涉及到的硬件部件有:

        (1)IIC 轉接的LCD 顯示屏。

        (2)Arduino UNO 控制板。

        (3)MFRC522 射頻識別模塊、TTS 語音播報模塊、舵機、蜂鳴器等。

        1.3.2 軟件測試環(huán)境

        本次辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現通過Ardunio IDE 進行編譯完成后下載到指定模塊的控制板內部,并且進行調試使其正常工作。

        測試過程如下:

        RFID 卡信息:

        卡1:99 12 96 5A

        卡2:69 E1 91 5A

        先用數據線將電腦端口與Arduino UNO R3 單片機連接起來,電腦進行供電,代碼燒錄到Arduino UNO R3里后,進行測試,分別刷有效卡與無效卡,打開串口監(jiān)視器,查看測試結果如圖2 所示。

        圖2 RFID 卡讀取測試

        2 結果與討論

        結果測試數據設計為:卡1,有權限RFID 卡(卡號為99 12 96 5A);卡2,無權限RFID 卡(卡號為69 E1 91 5A)。使用USB 數據線連接Arduino UNO R3 單片機與電腦,實現對系統(tǒng)的供電。系統(tǒng)自動運行,LCD 顯示屏輸出系統(tǒng)使用引導語句“Welcome back”和“Swipe your card”,即系統(tǒng)進入待機狀態(tài),將RFID 卡1 放置在MFRC522 射頻識別模塊上時,綠色的LED 燈亮,TTS 語音播報模塊播報“刷卡成功”,控制模塊控制舵機轉動180°,LCD 顯示屏顯示“Shenyan swipe card successfully”隨后舵機自動復位, 如圖3 所示。將RFID 卡2放置在MFRC522 射頻識別模塊上時,紅色的LED 燈亮,TTS 語音播報模塊播報“刷卡失敗”,同時蜂鳴器進行鳴叫報警,LCD 顯示屏顯示“Unknown card”,如圖4 所示。

        圖3 刷有效卡卡1

        圖4 刷無效卡卡2

        辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設計與實現,對于經濟快速發(fā)展的今天格外重要,因為現在辦公大樓越來越多,且辦公大樓內的資料也較為私密,每棟大樓都是獨立的一部分,員工進入大樓前都需要進行身份驗證,得到許可后方可進入,門禁系統(tǒng)對辦公大樓的人員管理提供了極大方便。在帶來方便的同時,也減少了人力物力財力的浪費,這就是科技發(fā)展帶給人的便利,物聯網技術現如今發(fā)展迅速,物物相連已經涉及到各個方面,射頻識別也因價格適中受到廣泛關注。

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