基于物聯(lián)網(wǎng)技術的多功能門禁控制器設計

王 斌 龍 騰 江西服裝學院大數(shù)據(jù)學院 南昌市 330201

0 引言

在高校中師生需要在多個場合進行活動，例如在實驗室、宿舍、圖書館等，這些場所均需要保持一定的安全性，避免閑雜無關人員隨便出入，為了解決該問題，目前較好的辦法就是引入智能門禁管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)符合條件的人員正常出入，不符合條件的人員禁止出入，進而實現(xiàn)對相應場所在無人值守的情況下進行安全、有序、高效管理［1］。

通過對這些場所的進出人員情況進行調研和統(tǒng)計分析得出結論，一般主要分為3種人員，第一種是學生和教師，是進入這些場合的主要人員，可通過校園一卡通刷卡進出上述場所；第二種是臨時人員，可通過輸入授權臨時密碼進出上述場所；第三種是管理人員，可通過指紋識別方式進出上述場所。當然也可根據(jù)需要為相關人員開通兩種及以上的解鎖方式，以更加靈活的方式來管理相關場所的安全。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)相關技術的快速發(fā)展，RFID相關模塊、指紋識別模塊、核心控制單片機等硬件設備的價格也越來越親民，相關技術也日益成熟。因此，根據(jù)上述分析情況設計開發(fā)出一種多功能門禁控制系統(tǒng)具有很強的可行性和必要性［2］。

1 系統(tǒng)總體功能設計

本設計要求在系統(tǒng)上電之后可實現(xiàn)三種解鎖功能：

（1）通過矩陣鍵盤按鍵輸入當前門禁密碼，且可以利用鍵盤來實現(xiàn)管理門禁密碼［3］；

（2）當RFID卡進入讀寫模塊的感應區(qū)域內，讀寫器即可自動讀取卡號，單片機根據(jù)卡號信息對卡的合法性進行判斷［4-6］，若該卡合法注冊，系統(tǒng)會解鎖門禁并在液晶屏上顯示卡號，若該卡未注冊，則無法解鎖；

（3）用戶將已錄入指紋信息的手指放到指紋采集頭上即可實現(xiàn)指紋解鎖［3］。

此外，當用戶解鎖失敗次數(shù)達三次便會觸發(fā)蜂鳴器報警以警示用戶的使用，同時鍵盤被鎖。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)硬件以單片機為主控核心，整體上包含六大模塊，分別是單片機最小系統(tǒng)、按鍵模塊、指紋識別模塊、RFID識別模塊、存儲模塊和液晶顯示模塊［7］，其整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 門禁系統(tǒng)硬件框圖

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路設計

最小系統(tǒng)電路由單片機、電源電路、復位電路和時鐘電路4部分組成電［1］，其中單片機選取STC89C52RC型，電源電壓為5V，復位電路采用上拉電容下拉電阻的上電復位，連接單片機的第9管腳，時鐘電路中選取晶振頻率為11.0592MHz，連接單片機的第18和19管腳并串聯(lián)30pF電容進行濾波以提高穩(wěn)定性，具體電路如圖3所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路

2.2 液晶顯示電路設計

為了便于設置和顯示密碼、提示信息等，采用液晶顯示模塊LCD12864進行顯示和提示。通過單片機控制LCD12864顯示十分方便，其7～14數(shù)據(jù)管腳直接連接單片機P0口，控制端RS、RW和EN分別接單片P2.6、P2.7和P2.8口，數(shù)據(jù)通過P0口以8位并行方式傳遞給顯示模塊，具體電路如圖4所示。

圖4 單片機最小系統(tǒng)電路

2.3 指紋模塊接口電路設計

本系統(tǒng)選取ATK-AS608模塊進行指紋識別，該模塊配備了串口通信接口，用戶無須研究復雜的圖像處理及指紋識別算法，只需通過簡單的串口便可控制該模塊，模塊引腳具體說明如表1所示，具體接口電路如圖5所示，其管腳1接3.3V電源，管腳2和管腳3分別連接單片P3.0和P3.1口，通過串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，管腳4接地，管腳5與單片機P3.7口相連，默認高電平有效來控制感應信號的輸出，管腳6是觸摸感應電源輸入端，供電電壓為3.3V。

表1 ATK-AS608模塊引腳說明圖

圖5 指紋模塊接口電路

2.4 RFID模塊接口電路設計

本系統(tǒng)選取MFRC522模塊完成對RFID卡的讀寫操作［4］，其使用方便，成本低廉，適用于設備、讀卡器的開發(fā)。該模塊有八個引腳，其工作電壓為3.3V，相關引腳具體說明如表2所示。

表2 MFRC522模塊引腳說明圖

該模塊中，串行數(shù)據(jù)線引腳連接單片機的P2.1口，SCK時鐘引腳連接單片機P2.2口，RC522接收MOSI引腳與單片機的P2.3口相連，RC522輸出MISO引腳與單片機的P2.4口相連，中斷請求輸出引腳IRQ未使用，復位引腳RST與單片機的P2.5口相連，電源引腳接入3.3V直流電壓。

2.5 存儲器接口電路設計

為了實現(xiàn)斷電用戶數(shù)據(jù)不丟失，選取存儲器AT24C02進行存儲。AT24C02采用I2C總線方式進行通信，十分方便與單片機進行數(shù)字通信，其中串行時鐘引腳SCL和串行數(shù)據(jù)/地址引腳SDA管腳分別與單片機的P3.4口和P3.5口連接實現(xiàn)串行通信，寫保護引腳WP與單片機的P3.3口連接，器件地址選擇引腳A0、A1、A2全部接高電平。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要圍繞著RFID 卡的識別和管理、指紋識別和管理、密碼識別和管理、液晶屏顯示提示信息等4個方面來實現(xiàn)對應的功能。

系統(tǒng)首先完成各模塊相關參數(shù)的初始化工作，初始化完成后LCD12864液晶屏將會顯示歡迎使用多功能電子鎖字樣，接下來可根據(jù)實際需要選擇對應功能按鍵，并完成相應操作：①當按下RFID卡管理鍵，即可完成增加RFID卡新用戶信息、刪除和修改已有RFID卡用戶信息等操作，實現(xiàn)對RFID卡用戶信息的有效管理。②當按下指紋管理鍵，就可以完成增加指紋新用戶信息、刪除和修改已有指紋用戶信息等操作，實現(xiàn)對指紋用戶信息的有效管理。③當按下密碼管理鍵，就可以進入增加密碼新用戶信息、刪除和修改已有密碼用戶信息等操作環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對密碼信息的有效管理。④當選擇RFID卡識別模式時，當識別到已注冊合法的RFID卡時即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示無法識別該卡或該卡未注冊等信息提醒用戶。⑤當選擇指紋識別模式時，當識別到已注冊合法的指紋時即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示該指紋未注冊等信息提醒用戶。⑥當選擇密碼識別模式時，當輸入的密碼是注冊過的即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示密碼無效等信息提醒用戶，同時當輸入的密碼連續(xù)錯誤3次就會進行蜂鳴器報警提示，此時需要過一段時間才能再次輸入密碼解鎖門禁，整體上系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體運行流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 管理員設置功能

系統(tǒng)設置了10個鍵分別對應0～9來輸入數(shù)字密碼，另外6 個按鍵其功能分別對應為：“A”鍵代表向上翻頁，“B”鍵代表向下翻頁，“C”鍵代表返回上一操作界面，“D”鍵代表管理員操作界面，“#”代表確認按鍵，“*”代表退格，通過這些按鍵便可以實現(xiàn)門禁密碼的錄入和刪除、RFID卡的登記和注銷、指紋的注冊、注銷以及清空等操作，最終可實現(xiàn)對進出門禁人員信息的安全有效的管理。

4.2 指紋識別功能

上電初始化完成后，首先需要將指紋信息錄入系統(tǒng)，在錄入過程中需要對指紋信息進行連續(xù)采集3次，全部符合要求即可正常錄入系統(tǒng)，最后返回初始狀態(tài)，此時只需將已錄入指紋的手指放置在指紋采集頭上，之后發(fā)出滴的一聲并且指示燈亮起，即可實現(xiàn)門禁解鎖，屏幕上會顯示門已打開和用戶編號。否則未注冊用戶通過此門禁時，LCD12648液晶屏幕上會提示指紋無效，門禁無法正常解鎖。

4.3 RFID卡識別功能

上電初始化完成后，用戶只需將校園一卡通（RFID卡）靠近MFRC522讀寫器感應區(qū)，屏幕將會顯示門已打開和對應一卡通編號。當RFID卡未注冊時，將其放置在感應區(qū)時，屏幕會顯示信息錯誤和對應的卡號，門禁無法正常解鎖。

4.4 密碼識別功能

上電初始化完成后，即可通過矩陣鍵盤輸入注冊過的合法密碼，單片機處理后即可發(fā)送指令控制繼電器模塊來解鎖門禁，同時還會伴隨著指示燈的亮起和繼電器開鎖的聲響。當輸入非法密碼時顯示屏會提示密碼錯誤，門禁無法正常解鎖。

4.5 測試結果

分別對系統(tǒng)的管理員設置功能、指紋識別功能、RFID卡識別功能、密碼識別功能等4個主要方面的功能進行了模擬測試，管理員設置功能中的按鍵操作均能準確無誤地實現(xiàn)對應功能，能夠達到預期效果；指紋識別功能測試過程中發(fā)現(xiàn)有個別情況無法正確識別有效指紋，分析其原因發(fā)現(xiàn)，一般情況下是指紋未完全對正、指紋按壓力度較輕、指紋出現(xiàn)了水質等污染等相關情況，因此，在進行指紋識別時只需要注意以上幾點，避免出現(xiàn)這些情況就可以以較高的識別率通過指紋識別；RFID卡識別功能測試過程中發(fā)現(xiàn)，當一卡通偏離了讀卡器或距離過遠就無法正常讀取，因此，在刷卡時避免出現(xiàn)上述情況即可快速高效地識別；密碼識別功能測試過程整體比較順利，未發(fā)現(xiàn)相關異?，F(xiàn)象。綜上所述，系統(tǒng)總體功能經(jīng)測試完全能夠達到預期效果。

5 結束語

在充分分析了高校相關公共場所實際需求的情況下，特別是高校實驗室、圖書館、學生宿舍等場所對進出人員的安全性有較高的實際需求，并結合高校實際情況開發(fā)了一套多功能門禁控制器，該系統(tǒng)可實現(xiàn)密碼識別、RFID卡識別和指紋識別三種不同的方式來解鎖門禁。其中密碼識別主要針對臨時進出人員，同時可對密碼有效時間進行設置；RFID卡識別主要針對師生，其充分利用師生手中的校園一卡通（RFID卡）實現(xiàn)刷卡進出，大大節(jié)約相關資源；指紋識別可主要針對相關場所的管理人員來進行使用。當然在具體實際使用過程中，也可根據(jù)實際需要授權相關人員使用多種解鎖門禁方式，在更加高效有序地管理相關公共場所安全的同時，也在一定程度上實現(xiàn)了對上述公共場所進出人員進行了較好的分類管理。系統(tǒng)經(jīng)實際測試，各項功能均能達到預期效果，其整體上具有較好的實際應用價值和研究意義。