基于Arduino的智能門禁系統(tǒng)

傅浩桐 杜宇上

摘要 提出了一種供學生進行科技制作的智能門禁系統(tǒng)設計方案。智能門禁系統(tǒng)是通過Wi-Fi實現(xiàn)手機與門控鎖的交互，即把esp8266模塊設置為自動透傳模式，當成一個tcp的服務端連接到室內(nèi)的Wi-Fi上，再用手機連接室內(nèi)Wi-Fi監(jiān)聽服務端的端口號，實現(xiàn)與Wi-Fi模塊的交互，進而通過Arduino開發(fā)板控制電控鎖，從而實現(xiàn)智能門禁系統(tǒng)。

【關鍵詞】Arduino物聯(lián)網(wǎng)電控鎖Wi-Fi tcp

市場上具備指紋識別或者刷卡識別等功能的門禁系統(tǒng)成本昂貴，不利于學生進行有關門禁系統(tǒng)的制作與設計嘗試。

物聯(lián)網(wǎng)技術一般是借助Wi-Fi，紅外，zigbee等無線載體實現(xiàn)物體之間的通訊。據(jù)統(tǒng)計，2012年我國家用Wi-Fi的普及率已達21.80%，表明國內(nèi)大部分城市居民都接入了家用Wi-Fi。隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，居民對生活品質等方面的要求越來越高，家居智能化已漸漸成為必然的發(fā)展趨勢。

為了研發(fā)出一套結構簡單，設計合理，安全性高的門禁管理系統(tǒng)，為大學生進行電子科技制作提供案例，本選題擬采用Wi-Fi作為無線通訊載體，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，利用手機app為操作終端，在門上嵌入電控鎖，通過手機向Wi-Fi接收模塊發(fā)送對應指令，經(jīng)單片機處理后控制電控鎖開關，實現(xiàn)手機開關，加密解鎖，提醒關門等核心功能。相比較傳統(tǒng)方式，內(nèi)嵌的電控鎖無需鑰匙孔，既減小鎖頭被撬的風險，又保證了門的外觀整潔。通過手機與門鎖的數(shù)據(jù)交互，用戶可及時通過手機監(jiān)控門的開關狀態(tài)。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)采用Wi-Fi技術，以智能手機作為控制端，設計出應用于門禁管理的定時開關控制系統(tǒng)。通過智能手機實現(xiàn)開關電路的開啟和關斷，并且有加密系統(tǒng)，實現(xiàn)門禁。如圖1系統(tǒng)結構圖所示，智能門禁系統(tǒng)主要結構由三部分組成，由電源管理部分供電，電控鎖模塊跟無線模塊進行數(shù)據(jù)的采集，再將采集到的數(shù)據(jù)提供給Arduino開發(fā)板，Arduino開發(fā)板再通過無線模塊，與智能手機客戶端進行數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)無線開關，關門提醒，指令加密，狀態(tài)監(jiān)控四個基本功能。

2 有關原理

2.1 Arduino

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板;Arduino IDE部分可以做計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。對Arduino的編程是通過Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（基于Processing）來實現(xiàn)的。

2.2 esp8266模塊

esp8266是樂鑫公司生產(chǎn)的低功耗Wi-Fi芯片，內(nèi)置32位CPU，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行，可以廣泛應用于智能家居、工業(yè)無線控制、無線傳感器等領域。esp8266芯片使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴重，而且價格不貴。esp8266官方提供的rom主要有兩個，一個是支持at命令修改參數(shù)的at系列rom，使用此rom時，可以使用at命令來設置芯片的大部分參數(shù)，同時也可將芯片設置為透傳模式，這樣esp8266就相當于在互聯(lián)網(wǎng)和UART之間架起了一座橋梁。

另一個就是物聯(lián)網(wǎng)的rom了，此rom可以通過命令來控制esp的部分GPIO，而且esp8266也可以采集一些溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。

2.3 繼電器

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。

2.4 TCP

TCP （Transmission Control Protocol傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC793定義。在簡化的計算機網(wǎng)絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）是同一層內(nèi)另一個重要的傳輸協(xié)議。在因特網(wǎng)協(xié)議族（Intemet protocolsuite）中，TCP層是位于IP層之上，應用層之下的中間層。不同主機的應用層之間經(jīng)常需要可靠的、像管道一樣的連接，但是IP層不提供這樣的流機制，而是提供不可靠的包交換。

3 具體實現(xiàn)方法

3.1 硬件部分

基于Arduino的智能門禁系統(tǒng)的硬件部分由三部分組成，分別為接收端esp8266模塊、Arduino控制處理器和電控鎖執(zhí)行端，電控鎖執(zhí)行端包括電控鎖、電源適配器、LED小燈泡和繼電器，如圖2所示。

3.1.1 接收端esp8266模塊

把esp8266模塊作為一個TCP的服務端掛到室內(nèi)的Wi-Fi上，用于接收手機發(fā)送的消息，再傳達給Arduino控制處理器。

3.1.2 Arduino控制處理器

Arduino控制處理器為圖2所示的Arduino主控板。寫入代碼，識別接收端收到手機端輸入的密碼，再對此做出判斷，實現(xiàn)自動開鎖功能。在門鎖打開的情況下，Arduino控制處理器會點亮提示燈，提醒用戶記得鎖門。

3.1.3 電控鎖執(zhí)行端

由一個接收到輸入高電平就自動打開的電控鎖、一個電源適配器、一個繼電器和一個LED燈組成。在接收到Arduino控制處理器發(fā)送的信號之后開鎖，實現(xiàn)智能門禁系統(tǒng)的自動開鎖功能。

3.2 軟件部分

基于Arduino的智能門禁系統(tǒng)的軟件部分由三部分組成，分別為esp8266模塊的代碼，Arduino控制處理器的代碼還有手機端的app。

3.2.1 esp8266模塊的代碼部分

（1）連接設置：

const char *ssid =“E104”;∥這里是要連接的Wi-Fissid

const char *password=”chuangke”;∥連接的Wi-Fi密碼

const char *host=”192.168.0.122”：∥修改為手機的的tcp Server服務端的IP地址，即手機在路由器上的ip

const inr tcpPort= 8266; ∥修改建立的Server服務端的端口號

（2）接收與發(fā)送：Wi-Fi模塊時刻掃描緩存區(qū)是否有接收到數(shù)據(jù)，接收到后把無線讀取到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到串口，Arduino控制處理器從而獲得手機端發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時，Wi-Fi模塊把串口讀取到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給手機端，手機端就可得知Arduino控制處理器是否接收到數(shù)據(jù)。∥3.2.2 Arduino控制處理器的代碼

如圖3，先判斷串口的緩存區(qū)是否有收到數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)存進數(shù)組變量，清空緩存區(qū)后，判斷密碼是否正確。若正確，則判斷是開鎖指令還是關鎖指令。若為開鎖指令，則打開電控鎖并點亮LED提示燈，提醒用戶記得關門;否則，復位電控鎖關閉LED提示燈。

3.2.3 手機發(fā)送端app

手機連到室內(nèi)Wi-Fi上，再用app監(jiān)聽該Wi-Fi下設定的服務端，即可實現(xiàn)手機與esp8266模塊之間信息的交互。

4 智能門禁管理系統(tǒng)的工作流程

先給esp8266模塊通電，使其接上室內(nèi)的Wi-Fi，再用手機連上室內(nèi)的Wi-Fi并監(jiān)聽該Wi-Fi下指定的TCP服務器，手機監(jiān)聽連接后即可輸入密碼，esp82266模塊接收到信息后傳給Arduino控制處理器，對其輸入的密碼識別判斷后確定是否開門，若處于開門狀態(tài)，LED燈會常亮，提醒用戶記得關門。

5 調(diào)試過程說明

代碼設置方面，esp8266模塊燒入的代碼中有包括室內(nèi)Wi-Fi的ip地址還有設置TCP服務端端口號，此兩項需要在手機端輸入，才能實現(xiàn)對服務端的監(jiān)聽。

6 結束語

本文介紹了一種基于Arduino的智能門禁管理系統(tǒng)，具有易作為學生進行科技制作的特點。因物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢與本門禁系統(tǒng)的簡單實用，故本文在學生進行創(chuàng)新技能培養(yǎng)方面具有參考價值和廣闊的應用前景。

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