技術(shù)報(bào)告基于Arduino開發(fā)平臺的自習(xí)室門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、計(jì)劃類別 項(xiàng)目編號 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：基于Arduino開發(fā)平臺的自習(xí)室門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)室的安全管理的門禁系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以Arduino開發(fā)板為基礎(chǔ)，通過利用IC卡進(jìn)行刷卡，射頻識別讀取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LCD顯示器來查看進(jìn)出信息。通過實(shí)驗(yàn)論證，必須使用限定的IC卡方可開啟舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)使用起來不僅方便而且還安全，適用于各個(gè)安全門禁領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：Arduino；射頻識別；IC卡；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1 引言（Introduc

2、tion）門禁系統(tǒng)，在智能建筑領(lǐng)域，意為Access Control System，簡稱ACS。門禁系統(tǒng)又被稱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。門禁系統(tǒng)是將自動(dòng)識別技術(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題，實(shí)現(xiàn)對人、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)在我們周圍隨處可見。針對大部分高校的自習(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

3、上事件的發(fā)生，以及外來人員的進(jìn)入，引進(jìn)門禁系統(tǒng)是相當(dāng)必要的2。自習(xí)室的門禁系統(tǒng)的正常運(yùn)行對自習(xí)室的日常管理起著至關(guān)的作用，這樣一來不僅給管理人員帶來了方便同時(shí)也給學(xué)生帶來了好處。2 自習(xí)室門禁系統(tǒng)的組成（The composition of theself-study room access control system）基于Arduino開發(fā)板3的自習(xí)室門禁系統(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)化為開發(fā)板

4、可以用的5V電壓，方便簡潔。（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，必須要具有開啟的舵機(jī)權(quán)限，否則無法進(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、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成具有閉環(huán)控制系統(tǒng)。工作過程是由控制

5、器發(fā)出PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號送給內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪帶動(dòng)電位器移動(dòng)，使電影差為零時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)由位置檢測器（電位器）返回位置信號判斷是否已經(jīng)到達(dá)設(shè)定位置。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Hardware system design）基于Arduino4的自習(xí)室門禁系統(tǒng)主要包括LCD1602電路、RFID-RC522射頻識別電路、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162即32個(gè)字符實(shí)物圖如圖2所示。主要用來顯示一些相關(guān)信

6、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連接射頻識別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(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

7、一款易用型開源控制器，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)在門禁系統(tǒng)中，舵機(jī)擔(dān)當(dāng)著重要的作用9。通過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。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，通過利用IC卡接觸RFID-RC522射頻識別模塊，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卡是否識別成功，整體電路連接圖

8、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)庫區(qū)進(jìn)行封裝，使其有模塊化10。利用C語言去實(shí)現(xiàn)控制功能，按照相應(yīng)模塊將程序存入其中，不僅簡化了各元件的存儲效果，而且還大大降低了成本，將這些C語言程序全部存儲于Arduino存儲器中，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

9、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SPI.begin（）；/打串口開mfrc522.PCD_Init（）；/初始化FRC522for（byte i=0； i6；i+） key.keyBytei=0 xFF；/準(zhǔn)備（used as both the key）鑰匙lcd.init（）； /初始化LCDlcd.backlight（）； /設(shè)置LCD背景等亮myservo.attach（6）；/設(shè)置舵機(jī)控制針腳/通過串口打印輸出相關(guān)信息Serial.println（F（S

10、can 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

11、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)15msfor（pos=0；pos180；pos=pos+1） myservo.write（pos）；delay（15）；5 軟硬件測試（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，打開ArduinoIDE1.8.3這個(gè)軟件，選擇相適應(yīng)的型號代碼，進(jìn)行對應(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

12、，控制舵機(jī)和識別IC卡功能，操作過程中的運(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)教室的出入安全問題，利用Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)，采用Arduino-UNOR3主模板作為該系統(tǒng)的核心板，利用RFID識別技術(shù)進(jìn)行學(xué)生的相關(guān)信息識別，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、圖書館等場所，同時(shí)可以為“智慧校園”提供門禁數(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開發(fā)平臺的學(xué)生宿舍門禁系統(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.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺J.電子科技，2015，28（9）：35-37.4 章登科，韓國程，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 錢琨.基于RFID和工業(yè)串口屏的駕校車載計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D.武漢工程大學(xué)，2017.6 蘇賜民，樂政通，趙志偉，等.智能家居門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.電腦知識與技術(shù)，2017（35）：251-252.7 JohnBoxall.動(dòng)手玩轉(zhuǎn)ArduinoM.北京：