基于Arduino開發(fā)平臺的學生宿舍門禁系統(tǒng)設計*

韓改寧，韓麗娜，張清文

基于Arduino開發(fā)平臺的學生宿舍門禁系統(tǒng)設計*

韓改寧，韓麗娜，張清文

（咸陽師范學院計算機學院，咸陽712000）

從學生宿舍的財產(chǎn)安全和人員安全管理的角度考慮，開發(fā)一款可為學生提供有效的安全保障的門禁管理系統(tǒng)。本設計以Arduino單片機為開發(fā)平臺，射頻模塊讀取IC卡信息，識別后通過Arduino平臺控制安裝在門鎖上的舵機打開門鎖，并通過LCD顯示模塊顯示門禁系統(tǒng)的各個狀態(tài)信息。通過實驗驗證，該系統(tǒng)能識別有權限的IC卡，在刷卡時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)的門鎖基礎上發(fā)展而來的對出入口通道進行管制的系統(tǒng)，用于管理人員的進出，限制未經(jīng)授權者進出特定區(qū)域，從而提供有效的安全保障，還可根據(jù)實際需要來查詢相關的出入或操作記錄［1］。

現(xiàn)在的校園開放，越來越社會化，校園案件急劇上升，高校宿舍學生眾多，門多不易管理，學生經(jīng)常忘帶鑰匙，常出現(xiàn)盜竊傷害等事件［2］。近幾年，我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和居民收入水平得到了很大的提高，宿舍安全已成為學生生活的重要內(nèi)容，學生迫切需要一個具有安全可靠，并且可以方便快捷的門禁系統(tǒng)，利用這個系統(tǒng)使得宿舍開鎖更加方便，同時為了適應信息時代的需要，保證學校公寓內(nèi)部的安全性，滿足學生的需求，門禁系統(tǒng)應運而生［3］。門禁系統(tǒng)集電腦技術、電子技術、機械技術、和射頻識別技術于一體，使卡與鎖之間實現(xiàn)完整“對話”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、更自動化的管理模式，而且也給使用者帶來了極大的方便。

1　學生宿舍門禁系統(tǒng)的組成

基于Arduino單片機的學生宿舍門禁系統(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，舵機作為動力驅動裝置，LCD1602作為顯示模塊，移動電源作為供電裝置。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)射器部分的設計能夠驅動一個讀/寫器天線，無需額外有源電路與ISO/IEC卡和應答器進行通信。當IC卡進入到讀卡器讀卡范圍時，讀卡器讀取卡序列號，將其傳給控制器和錄入系統(tǒng)的卡號進行對比［13］。

（2）舵機模塊

舵機就是一個伺服馬達，其內(nèi)部有一個微型的直流電機，為馬達提供動力；還有一個變速的齒輪組，齒輪組來帶動舵機臂的轉動，本實驗中舵機的作用是用來接受命令后驅動門鎖，達到開鎖的作用。

（3）電源模塊

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

（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個字符，用來接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相應的IC卡卡號信息、開門提示信息等，進行下一步的操作。

（5）門禁lC卡

許可證其實就是有權限的IC卡，當出現(xiàn)沒有權限的IC卡時，系統(tǒng)將不能啟動舵機，只有授權過的卡才可以開啟門鎖。

2　硬件系統(tǒng)設計

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、舵機驅動電路。硬件系統(tǒng)的總體結構圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件總體結構圖

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，存儲區(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)射器部分的設計能夠驅動一個讀/寫器天線無需額外有源電路與ISO/IEC卡和應答器進行通信［6］。接收器部分提供了一個強大的和高效率的執(zhí)行的解調和解碼電路，從ISO/IEC兼容卡接受應答信號。數(shù)字部分處理完整ISO/IEC14443A幀和錯誤檢測（奇偶校驗位）。該MFRC522支持使用更高的傳輸非接觸式通信，速度可達848 kbps，該模塊與開發(fā)板通過SPI通信。MFRC3522射頻模塊實物圖如圖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誤信息，因此從性價比上考慮，選擇了字符式LCD顯示器1602，該顯示器的顯示容量是16×2個字符。本系統(tǒng)顯示電路設計如圖4所示。

圖4　LCD顯示屏

本設計中，需要將LCD 1602與Arduino單片機引腳連接起來，如表1所列。

表1　顯示電路引腳連接

（4）門控器件—SG90舵機

SG90舵機是電機的一種，當給它一個角度指令時，它就會轉到指定的角度，很多機器人的關節(jié)部位用到的都是這種馬達。工作原理如下：直流馬達驅動齒輪組轉動，電位器將檢測結果反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把反饋結果與參數(shù)進行比較，然后進行調整直到轉動到指定位置，這種反饋的機理可以大大提高舵機的精確度?？刂凭€控制伺服馬達有兩條線，分別為電源線和地線。其中紅色的是電源線，黑色的是地線。高電平維持的時間不同，轉動的角度就會不同。舵機的實物如圖5所示。

舵機的脈沖與角度位置的關系如圖6所示。

表2顯示了舵機與Arduino單片機的引腳連接。

圖5　舵機實物圖

表2　顯示電路引腳連接

圖6　舵機脈沖與角度相位圖

2.2硬件電路原理圖

采用Arduino UNO R3開發(fā)板作為控制器，MFRC522射頻模塊識別非接觸式IC卡，SG90舵機作為動力驅動裝置，帶I2C總線的LCD1602作為顯示模塊，在Protues下設計各個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、射頻模塊MFRC522、LCD1602顯示屏模塊、舵機模塊、供電模塊等組合到一塊，如圖8所示。

圖7　Arduino UNO R3單片機原理圖

3　門禁系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的控制元件較多，程序代碼較多，所以對MF RC522和LCD1602的控制程序使用封裝好的庫文件。因此，采用模塊化程序設計方法，以C語言實現(xiàn)的控制程序，按模塊存儲在Arduino芯片內(nèi)，無需單片機擴展存儲器接口，簡化了系統(tǒng)硬件結構，降低了成本，同時又提高了系統(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、舵機模塊，這些程序全部固化到Arduino的存儲器中。軟件流程圖如圖9所示。

Arduino IDE提供了各種型號的Arduino開發(fā)板的C編譯器、宏匯編、連接器和功能強大的仿真調試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，本課題在Windows 7平臺下的Arduino IDE 1.6.0版本進行調試。Arduino IDE提供兩個函數(shù)：void setup（）實現(xiàn)板塊的初始化操作，void loop（）實現(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運行界面

4　軟硬件測試

用USB數(shù)據(jù)線將Arduino控制器與電腦連接上，安裝USB轉串口驅動，再將各個模塊連接好，點擊桌面上的Arduino圖標，打開Arduino，選擇電路板型號，然后在編輯區(qū)編寫代碼，編譯應用程序。編譯通過后，將應用程序下載到Arduino控制板中，可以識別卡的信息，控制舵機旋轉。運行效果如圖11～13所示。

［1］Carrier Anne Philbin.零基礎學Raspberry Pi［M］.北京：人民郵電出版社，2015.

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

結 語

本設計采用低成本STM8S003微控器開發(fā)高速無刷直流電機控制系統(tǒng)，STM8S003微控器內(nèi)部高級定時器具有4個捕獲/比較通道，3個互補輸出全部使用，其所有I/O口都已占用，并在內(nèi)部運行控制時序邏輯和PID控制算法，從而使微型高速無刷直流電機轉速穩(wěn)定、恒定。本設計經(jīng)過長時間的實際應用，該設計制作小巧、成本低、驅動板能耗小，效率高，運行穩(wěn)定，具有一定的市場前景。

參考文獻

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鄒存名（講師），主要研究方向為多自由度機械手臂控制研究、嵌入式開發(fā)；韓秀梅（講師），主要研究方向為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的事件觸發(fā)控制，切換系統(tǒng)的控制。

（責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-04-13）

圖11　待機狀態(tài)

圖12　刷卡后顯示6位卡號

圖13　有權限的卡顯示開啟

結 語

針對目前高校宿舍安全問題，利用Arduino單片機設計的門禁系統(tǒng)，采用IC射頻卡識別技術、舵機控制技術及LCD顯示技術，解決了過去單片機焊接線路板子的繁瑣過程，大大提高了工作效率。模塊化的接口設計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)可以應用于其他需要監(jiān)管的門禁場所。

參考文獻

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韓改寧（講師），主要研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)應用開發(fā)。

（責任編輯：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）

*項目名稱：咸陽師范學院引進人才項目（項目編號：13XSYK053）；校級

科研項目（項目編號：12XSYK071）。