基于Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)的自習(xí)室門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁貴鋒　胡雄強(qiáng)　朱亞兵　任康　薛飛勇　趙馮濤

摘 要：為了能夠給在校大學(xué)生提供可靠而且安全的校園氛圍，需要設(shè)計(jì)一款適合自習(xí)室的安全管理的門(mén)禁系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以Arduino開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)，通過(guò)利用IC卡進(jìn)行刷卡，射頻識(shí)別讀取IC卡信息，將信息傳送到主機(jī)，IC卡適合舵機(jī)驅(qū)動(dòng)便可啟動(dòng)，最后通過(guò)LCD顯示器來(lái)查看進(jìn)出信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，必須使用限定的IC卡方可開(kāi)啟舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)使用起來(lái)不僅方便而且還安全，適用于各個(gè)安全門(mén)禁領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：Arduino；射頻識(shí)別；IC卡；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

門(mén)禁系統(tǒng)，在智能建筑領(lǐng)域，意為Access Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)ACS。門(mén)禁系統(tǒng)又被稱(chēng)為出入口管理控制系統(tǒng)，是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分。門(mén)禁系統(tǒng)是將自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和安全管理措施融為一體，涉及電子、機(jī)械、生物識(shí)別、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制、通信等技術(shù)[1]。主要解決出入口安全防范管理的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、物的出入控制和管理功能。

目前隨著信息時(shí)代的發(fā)展，大量的智能化設(shè)備已經(jīng)在我們周?chē)S處可見(jiàn)。針對(duì)大部分高校的自習(xí)室而言，為了能夠有效地獲取自習(xí)室的利用情況，例如每天的人流量、進(jìn)出的高峰期，以及確認(rèn)這些人的身份信息等。于此同時(shí)自習(xí)室的開(kāi)放，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)氛圍是相當(dāng)重要的。為了避免以上事件的發(fā)生，以及外來(lái)人員的進(jìn)入，引進(jìn)門(mén)禁系統(tǒng)是相當(dāng)必要的[2]。自習(xí)室的門(mén)禁系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)自習(xí)室的日常管理起著至關(guān)的作用，這樣一來(lái)不僅給管理人員帶來(lái)了方便同時(shí)也給學(xué)生帶來(lái)了好處。

2 自習(xí)室門(mén)禁系統(tǒng)的組成（The composition of the

self-study room access control system）

基于Arduino開(kāi)發(fā)板[3]的自習(xí)室門(mén)禁系統(tǒng)采用設(shè)備主要有Arduino UNO R3控制器、LCD1602顯示模塊、非接觸式IC讀卡器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、RFID-RC522射頻識(shí)別模塊，以及電源模塊組成。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

（1）電源模塊

主要用220V的日常電壓轉(zhuǎn)化為開(kāi)發(fā)板可以用的5V電壓，方便簡(jiǎn)潔。

（2）顯示模塊

該模塊主要選擇LCD1602的顯示屏，它用于接收主控機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，顯示對(duì)應(yīng)的IC卡的相關(guān)信息。

（3）射頻模塊

該模塊主要采用是高度集成的非接觸式（13.56MHz）讀寫(xiě)卡芯片MFRC522，次發(fā)送模塊利用調(diào)制和調(diào)節(jié)原理，將他們完全集成到非接觸式通信放到和協(xié)議中[4]。該模塊支持ISO14443A協(xié)議，當(dāng)IC卡進(jìn)入到讀卡器的范圍內(nèi)便會(huì)進(jìn)行讀取預(yù)錄入的進(jìn)行比較。

（4）IC卡模塊

一張具有權(quán)限的IC卡，必須要具有開(kāi)啟的舵機(jī)權(quán)限，否則無(wú)法進(jìn)入。

（5）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)可以實(shí)時(shí)控制角度，由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成具有閉環(huán)控制系統(tǒng)。工作過(guò)程是由控制器發(fā)出PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)送給內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪帶動(dòng)電位器移動(dòng)，使電影差為零時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)由位置檢測(cè)器（電位器）返回位置信號(hào)判斷是否已經(jīng)到達(dá)設(shè)定位置。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Hardware system design）

基于Arduino[4]的自習(xí)室門(mén)禁系統(tǒng)主要包括LCD1602電路、RFID-RC522射頻識(shí)別電路、Arduino-UNOR3主模板、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和IC卡刷卡環(huán)節(jié)。

3.1 系統(tǒng)使用的元器件及連線

3.1.1 LCD1602顯示器連接

LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16×2即32個(gè)字符實(shí)物圖如圖2所示。主要用來(lái)顯示一些相關(guān)信息，圖3為其電路圖。

顯示屏LCD1602與Arduino控制器的各個(gè)引腳的連線如圖4所示。

3.1.2 RFID-RC522連接

射頻識(shí)別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)[5，6]。

本模塊采用MF RC522芯片，模塊與Arduino通訊方式為SPI（同步串行外設(shè)接口總線）通信，Arduino工作在主模式下，RC522工作在從模式下，模塊與Arduino控制板連接方式如圖5所示。

3.1.3 Arduino-UNOR3主模板

Arduino-UNO-R3是一款易用型開(kāi)源控制器，處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬輸入，16MHz晶體振蕩器，USB口，電源插座，ICSP header和復(fù)位按鈕[7，8]。

3.1.4 SG90舵機(jī)

在門(mén)禁系統(tǒng)中，舵機(jī)擔(dān)當(dāng)著重要的作用[9]。通過(guò)Arduino控制sg90舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)紅色是正極，棕色是負(fù)極，黃色為信號(hào)。SG90舵機(jī)引腳連線如表1所示。

3.2 系統(tǒng)硬件連接電路圖

主要將Arduino-UNO-R3主模板作為控制模塊，通過(guò)利用IC卡接觸RFID-RC522射頻識(shí)別模塊，以舵機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)這些模塊，LCD1602作為顯示，最終顯示IC卡是否識(shí)別成功，整體電路連接圖如圖6所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Software system design）

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)可知控制元件比較多，因此對(duì)應(yīng)的程序代碼也比較多，為了能夠讓程序合理的去控制各個(gè)元件的工作，要采用函數(shù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行封裝，使其有模塊化[10]。利用C語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)控制功能，按照相應(yīng)模塊將程序存入其中，不僅簡(jiǎn)化了各元件的存儲(chǔ)效果，而且還大大降低了成本，將這些C語(yǔ)言程序全部存儲(chǔ)于Arduino存儲(chǔ)器中，軟件流程圖如圖7所示。

本次設(shè)計(jì)的是在Windows7系統(tǒng)中，利用Arduino相關(guān)的軟件ArduinoIDE1.8.3進(jìn)行調(diào)試過(guò)程。本軟件主要提供void setup（）實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的初始化函數(shù)，void loop（）實(shí)現(xiàn)與接口相連的函數(shù)。該軟件的運(yùn)行界面如圖8所示。

初始化模塊：

Serial.begin（9600）；//初始化與PC的串行通信

while （！Serial）；//判斷串口是否打開(kāi)

SPI.begin（）；//打串口開(kāi)

mfrc522.PCD_Init（）；//初始化FRC522

for（byte i=0； i<6；i++） {

key.keyByte[i]=0xFF；//準(zhǔn)備（used as both the key）鑰匙

lcd.init（）； //初始化LCD

lcd.backlight（）； //設(shè)置LCD背景等亮

myservo.attach（6）；//設(shè)置舵機(jī)控制針腳

//通過(guò)串口打印輸出相關(guān)信息

Serial.println（F（"Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate read and write."））；

Serial.print（F（"Using key （for A and B）："））；

dump_byte_array（key.keyByte，MFRC522：：MF_KEY_SIZE）；

Serial.println（F（"BEWARE： Data will be written to the PICC，in sector #1"））；}

功能模塊：

lcd.setCursor（0，0）；//設(shè)置光標(biāo)位置

if （！ mfrc522.PICC_IsNewCardPresent（））return；//尋找新卡

if （！ mfrc522.PICC_ReadCardSerial（））return；//選擇其中一張卡

//顯示PICC的詳細(xì)信息

Serial.print（F（"Card UID："））；

//控制舵機(jī)0°到180°順時(shí)針和180°到0°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每次延時(shí)15ms

for（pos=0；pos<180；pos=pos+1） {myservo.write（pos）；delay（15）；}

5 軟硬件測(cè)試（Soft and hardware test）

將所有模塊連接好后用USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)相連起來(lái)，打開(kāi)ArduinoIDE1.8.3這個(gè)軟件，選擇相適應(yīng)的型號(hào)代碼，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的修改，將需要的代碼進(jìn)行融合，利用如圖8所示的進(jìn)行編譯運(yùn)行，控制舵機(jī)和識(shí)別IC卡功能，操作過(guò)程中的運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

6 結(jié)論（Conclusion）

為了解決大學(xué)生自習(xí)教室的出入安全問(wèn)題，利用Arduino開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)的門(mén)禁系統(tǒng)，采用Arduino-UNOR3主模板作為該系統(tǒng)的核心板，利用RFID識(shí)別技術(shù)進(jìn)行學(xué)生的相關(guān)信息識(shí)別，從而得到有效解決學(xué)生的安全管理。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其他方面的行業(yè)，比如家里、圖書(shū)館等場(chǎng)所，同時(shí)可以為“智慧校園”提供門(mén)禁數(shù)據(jù)信息。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 俞萍，揭志華，湯榕文，等.“智慧校園”門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].廣東培正學(xué)院論叢，2015（4）：91-94.

[2] 韓改寧，韓麗娜，張清文.基于Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)的學(xué)生宿舍門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（9）：64-68.

[3] 蘇祥林，陳文藝，閆灑灑.基于樹(shù)莓派的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)[J].電子科技，2015，28（9）：35-37.

[4] 章登科，韓國(guó)程，俞朝暉，等.RFID技術(shù)及其在智能包裝中的應(yīng)用[J].包裝工程， 2018（1）：6-11.

[5] 錢(qián)琨.基于RFID和工業(yè)串口屏的駕校車(chē)載計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢工程大學(xué)，2017.

[6] 蘇賜民，樂(lè)政通，趙志偉，等.智能家居門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（35）：251-252.

[7] JohnBoxall.動(dòng)手玩轉(zhuǎn)Arduino[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[8] 付久強(qiáng).基于Arduino平臺(tái)的智能硬件設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程， 2015（10）：76-79.

[9] 汪婉君.基于Android/Arduino平臺(tái)的智能藍(lán)牙引路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[10] 禹謝華，鄧林茂，張曉云，等.基于Android與Arduino智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，48（4）：532-536.

作者簡(jiǎn)介：

袁貴鋒（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

胡雄強(qiáng)（1996-），男，本科生. 研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

朱亞兵（1979-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

任 康（1994-），男，本科生. 研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

薛飛勇（1996-），男，本科生. 研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

趙馮濤（1996-），男，本科生. 研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.