基于WiFi和RFID技術(shù)的小區(qū)智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓媛媛

（衡水學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 衡水 053000）

0 引言

通信技術(shù)的逐漸成熟使得人們的生活越來(lái)越方便，例如，用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)進(jìn)行各種支付活動(dòng)，并對(duì)個(gè)人賬戶進(jìn)行查詢、轉(zhuǎn)賬、繳費(fèi)、充值等功能的管理，用戶也可以隨時(shí)了解自己的消費(fèi)信息。移動(dòng)支付為用戶的生活提供了極大的便利，提高了人們的生活效率，也更方便用戶對(duì)個(gè)人賬戶進(jìn)行管理，提升了人們對(duì)生活的體驗(yàn)感。然而，隨著2020年新冠肺炎疫情的爆發(fā)，人們對(duì)居住環(huán)境安全性的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，但是傳統(tǒng)的小區(qū)門禁系統(tǒng)功能單一[1]，且大都存在著功耗較大、通信距離有限、過(guò)多占用基站資源等缺點(diǎn)，可見已不能滿足人們的需求。因此，對(duì)小區(qū)門禁系統(tǒng)的改進(jìn)刻不容緩。

STM32單片機(jī)相較于51單片機(jī)多了許多資源，如USB控制器，同時(shí)，它廢除了機(jī)器周期，所以它的速度大約是51單片機(jī)的幾十倍。其程序都是模塊化的，外圍接口功能也比較強(qiáng)大，另外，STM32單片機(jī)集低功耗、低電壓于一身，具有高度集成和開發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，是項(xiàng)目開發(fā)的理想選擇[2]。射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[3]，利用無(wú)線射頻方式對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，其基本原理是將電子標(biāo)簽放在需要識(shí)別的物品上，閱讀器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出的編碼等信息被閱讀器讀取并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。電子標(biāo)簽具有防水、防磁、耐高溫的特點(diǎn)，能夠保證射頻識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用時(shí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。隨著移動(dòng)終端的廣泛使用，用戶對(duì)無(wú)線接入的需求日漸突出，WiFi以其靈活性和移動(dòng)性脫穎而出，幾乎所有的社區(qū)都完全被WiFi無(wú)線覆蓋?；诖?，筆者將以STM32單片機(jī)作為主控機(jī)，結(jié)合WiFi技術(shù)和RFID技術(shù)設(shè)計(jì)完成一款小區(qū)智能門禁系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于WiFi和RFID技術(shù)的小區(qū)智能門禁系統(tǒng)的工作模式分為兩種：一種是控制模式，另一種是警報(bào)模式。

在控制模式下，用戶可以手動(dòng)刷卡進(jìn)入小區(qū)，前提是該卡已經(jīng)在系統(tǒng)中被注冊(cè)成功。另外，為了防止出現(xiàn)用戶出行未帶門禁卡而無(wú)法正常出入小區(qū)的情況，用戶也可以使用手機(jī)NFC功能控制門禁的打開和關(guān)閉，或者通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行門禁的控制，極大程度地為居民的出行提供方便。

在警報(bào)模式下，系統(tǒng)主要通過(guò)刷卡判斷用戶是否為小區(qū)住戶。若是小區(qū)用戶，蜂鳴器會(huì)響一次，作為打開門禁的提示，并在OLED顯示屏上顯示出小區(qū)住戶的正確住房信息，例如，“**單元***住戶歡迎您回家”。若是非小區(qū)用戶，蜂鳴器會(huì)持續(xù)報(bào)警，提醒門衛(wèi)值班人員有非小區(qū)人員進(jìn)入，做好身份登記，同時(shí)，OLED顯示屏上顯示“您無(wú)法進(jìn)入該小區(qū)”，門禁系統(tǒng)無(wú)法正常打開。此外，系統(tǒng)還通過(guò)SHT30溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室外的溫度和濕度，并將數(shù)值顯示到OLED顯示屏上，時(shí)間模塊RTC用于顯示當(dāng)前時(shí)間，方便居民記錄當(dāng)前所處環(huán)境與時(shí)間。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由STM32單片機(jī)、RFID射頻模塊、WiFi模塊、OLED顯示屏、蜂鳴器、SHT30溫濕度傳感器等組成。

2.1 RFID射頻模塊

RFID射頻模塊采用RC522模塊，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信，支持ISO14443兼容應(yīng)答信號(hào)；與主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)用戶的不同需求，選取SPI、I2C或串行UART模式之一，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。在本系統(tǒng)中采用SPI通信模式。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊使用有樂鑫公司開發(fā)的高度集成ESP8266芯片，它具有體積小、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重、價(jià)格超低等優(yōu)勢(shì)。ESP8266芯片是一款低功耗的串口透?jìng)髂K，能夠?qū)⑽锢碛布cWiFi網(wǎng)絡(luò)連接，且性能較高[4-6]。在小區(qū)智能門禁系統(tǒng)中，將芯片作為一個(gè)WiFi模塊，不需要再對(duì)芯片進(jìn)行開發(fā)，只需要根據(jù)模塊提供的接口，用AT指令和該模塊進(jìn)行通信，讓模塊去接入網(wǎng)絡(luò)。它支持3種工作模式，分別是STA、AP和STA+AP模式。在STA模式中，該模塊通過(guò)路由器連接網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)或者電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。在AP模式中，該模塊作為熱點(diǎn)，手機(jī)或者電腦連接WiFi與該模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線控制。STA+AP模式是兩種模式共存，既可以通過(guò)路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可以作為WiFi熱點(diǎn)，使其他設(shè)備連接到這個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)的無(wú)縫切換。

2.3 OLED顯示屏

OLED顯示屏是利用有機(jī)電自發(fā)光二極管制成的顯示屏，由于同時(shí)具備自發(fā)光有機(jī)電激發(fā)光二極管，所以該顯示屏不需背光源，而且對(duì)比度高、視角廣、反應(yīng)速度快，比較適合在露天環(huán)境中使用。因此，本系統(tǒng)選用OLED顯示屏。

2.4 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，只要供電，接入信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生蜂鳴聲。本系統(tǒng)利用蜂鳴器發(fā)出的蜂鳴聲實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，在系統(tǒng)中使用的是由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成的壓電式蜂鳴器。

2.5 SHT30溫濕度傳感器

SHT30溫濕度傳感器得益于瑞士Sensirion公司推出的CMOSens技術(shù)，比其他類型的傳感器更加安全可靠，具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而且該傳感器的內(nèi)容經(jīng)過(guò)了校準(zhǔn)、線性化與放大等操作，輸出的是與溫濕度成線性關(guān)系的模擬電壓，不需要額外的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，使用簡(jiǎn)單方便，其溫度工作范圍為-40℃～125℃，濕度工作范圍是0～100%RH，達(dá)到了門禁系統(tǒng)中溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)。因此，本系統(tǒng)采用的SHT30溫濕度傳感器。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括讀門禁卡功能設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)信息顯示及警報(bào)功能設(shè)計(jì)。

3.1 讀門禁卡功能設(shè)計(jì)

該功能利用RC522模塊實(shí)現(xiàn)，其執(zhí)行程序可以分成兩部分：

1）RC522的初始化。ISO14443協(xié)議分為Type A和Type B兩種，本系統(tǒng)中選用的門禁卡使用的是Type A協(xié)議，因此，需要設(shè)置RC522的工作方式。由于該模塊需要通過(guò)SPI協(xié)議與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，所以還需要初始化SPI協(xié)議。

2）RC522讀取門禁卡。首先，尋找天線范圍內(nèi)的門禁卡，若尋卡成功，則做一個(gè)防沖撞的判斷；若防沖撞成功，則在液晶屏上顯示門禁卡的ID號(hào)；然后，進(jìn)行門禁卡選擇，若選卡成功，則進(jìn)行門禁卡密碼的驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后進(jìn)行門禁卡信息的讀??；若讀取到門禁卡的信息已被存儲(chǔ)，則門禁打開。

讀門禁卡程序流程圖如圖1所示。

圖1 讀門禁卡程序流程圖

3.2 遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)

為滿足居民對(duì)移動(dòng)終端的需求，設(shè)計(jì)了手機(jī)端應(yīng)用程序，通過(guò)與選用的ESP8266模塊相連，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能。

首先，進(jìn)行ESP8266的初始化，在此階段需要初始化UART串口，進(jìn)行WiFi的設(shè)置并連接。例如，設(shè)置ESP8266的工作模式，然后，在手機(jī)端應(yīng)用程序中創(chuàng)建新用戶；通過(guò)MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)建立超鏈接后，將信息寫入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（網(wǎng)址為iot.embsky.com），用戶登錄網(wǎng)頁(yè)版物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)查看Client ID，并將其復(fù)制到手機(jī)端應(yīng)用程序的Client ID處進(jìn)行登錄，查看訂閱的主題，建立連接；這樣手機(jī)端與門禁卡便能夠同時(shí)控制門禁的開關(guān)。遠(yuǎn)程控制流程圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程控制流程圖

3.3 基礎(chǔ)信息顯示及警報(bào)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用SHT30傳感器進(jìn)行溫濕度信息采集，并顯示到OLED顯示屏上，利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)警報(bào)功能。首先，初始化SHT30傳感器所使用的GPIO引腳，配置采樣頻率；然后，發(fā)送讀取SHT30溫濕度數(shù)據(jù)的指令，使其能夠產(chǎn)生開始信號(hào)，并發(fā)送設(shè)備地址。第一次等待確認(rèn)信號(hào)，發(fā)送采樣指令的高字節(jié)；第二次等待確認(rèn)信號(hào)，發(fā)送采樣指令的低字節(jié)；最后一次等待確認(rèn)信號(hào)并產(chǎn)生結(jié)束信號(hào)。在進(jìn)行蜂鳴器配置時(shí)，首先，初始化相應(yīng)的GPIO引腳，并定義GPIO初始化結(jié)構(gòu)體的變量；其次，通過(guò)時(shí)鐘總線使能所需要的GPIO時(shí)鐘；最后，配置引腳的輸出模式和輸出速率，若引腳輸出高電平，蜂鳴器響，若輸出低電平，蜂鳴器不響。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 讀門禁卡功能測(cè)試

在測(cè)試中，選用兩張門禁卡，第一張?jiān)O(shè)定為一單元503住戶，第二張?jiān)O(shè)定為非本小區(qū)門禁卡。刷卡時(shí)，OLED顯示屏分別顯示“一單元503住戶歡迎您回家”和“您無(wú)法進(jìn)入該小區(qū)”，讀門禁卡功能測(cè)試通過(guò)。

4.2 遠(yuǎn)程控制功能測(cè)試

對(duì)于ESP8266模塊的測(cè)試主要是判斷能否通過(guò)串口正常收發(fā)數(shù)據(jù)，以及能否和服務(wù)器正常組網(wǎng)。測(cè)試中，在手機(jī)上設(shè)置所注冊(cè)的WiFi用戶名與密碼，進(jìn)行連接。經(jīng)檢測(cè)，可以完成通信。

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，手機(jī)安裝MQTT軟件，將注冊(cè)的卡片進(jìn)行刷卡測(cè)試，判斷注冊(cè)的用戶是否能夠正常進(jìn)入到小區(qū)里；然后，使用未注冊(cè)的卡片進(jìn)行刷卡測(cè)試，判斷是否能夠進(jìn)入小區(qū)；并且，測(cè)試手機(jī)端應(yīng)用程序功能，點(diǎn)擊門禁開關(guān)按鈕，判斷是否能夠成功進(jìn)入。經(jīng)檢測(cè)，系統(tǒng)中的手機(jī)端應(yīng)用程序可以完成組網(wǎng)并通信。

4.3 基礎(chǔ)信息顯示及警報(bào)功能測(cè)試

該測(cè)試主要是測(cè)試傳感器能否獲取到正確的數(shù)據(jù)。測(cè)試中，將串口和電源連接起來(lái)，觀察OLED顯示屏上是否出現(xiàn)實(shí)時(shí)的溫濕度；通過(guò)刷小區(qū)住戶門禁卡與非小區(qū)住戶門禁卡進(jìn)行測(cè)試，觀察顯示屏上能否得到正確的用戶信息，蜂鳴器是否會(huì)報(bào)警，以此來(lái)判斷傳感器是否正常工作。經(jīng)檢測(cè)，各部分信息正常且有顯示，當(dāng)非小區(qū)用戶刷卡時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警。

5 總結(jié)

筆者基于WiFi和RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能門禁系統(tǒng)，同時(shí)，考慮到現(xiàn)代人對(duì)智能終端的依賴，還設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制功能。但為了防止外來(lái)人員隨意仿造本小區(qū)用戶門禁卡，所以未提供注冊(cè)門禁卡的功能；同時(shí)，為防備外來(lái)人員的闖入，設(shè)計(jì)了警報(bào)功能，一定程度上達(dá)到了保護(hù)居住小區(qū)用戶安全的目的。