基于单片机的门控系统设计基于Arduino的智能门禁系统设计，你学会了么？|产品概述|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

基于Arduino的智能门禁系统设计，你学会了么？

基于Arduino的实验室智能门禁系统设计

[导读]摘要:针对地方高校开放性实验室的建设与开展,设计了一套用于实验室的智能门禁管理系统,该系统以Arduino开源平台作为核心控制组件,具备光学指纹解锁功能、多位按键密匙解锁功能以及门禁卡识别解锁功能,通过联合3种不同的解锁方式,达到多合一的解锁效果。该设计能够应用于常规的实验室门禁系统中,是一种低老本、低功耗、高性能的门禁系统,能够为其他类似产品的设计提供参照。

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随着地方高校建设的不断开展,一种为学生提供自由实战场所的创新性实验室初始出现并普及,有关的课程设计环节中实验教学所占比重越来越大。为了提高此类实验室的利用率,很有必要对实验室进行智能化管理升级,智能门禁系统的应用,能够成为提高管理效率的一个重要伎俩。本文设计了一款基于ArduinoUNO开源平台的多功能智能门禁系统,通过AS608光学指纹模块、门禁卡感应模块、按键模块、显示模块等,达到指纹的录入与验证,密匙与门禁卡开锁,OLED显示屏交互等功能,该系统设计方案较为简略易行,能够为有关设计人员提供参照。

1系统总方案设计

系统总体方案设计如图1所示,本系统主要由ArduinoUNO单片机电路主板、电源模块、指纹模块、门禁卡模块、按键模块、显示模块、继电器以及12V电磁锁组成。系统由外接5V/12V双路电源模块供电,一路为系统主板供电,另一路为电磁锁提供输写电源。通过主板与3种传感器模块相连,达到指纹的录入与验证、密匙设置修改与验证、门禁卡识别解锁等功能,当工作人员须要进入实验室时,能够灵敏选择3种不同的解锁方式。该系统同时采用了OLED屏来实时显示设备的根本信息与解锁状态,便于运用人员判断门禁系统是否正常工作。

2硬件设计选型

2.1ArduinoUNO主板及扩展板

本文运用ArduinoUNO开源平台为核心控制组件,相较于其他的开发平台,其主要优势在于性价比高、便捷灵敏、方便上手,主控板具有丰盛的I/o接口,其中A0～A5端口可进行模拟量的输写、输出,0～13端口能够进行数字量的输写、输出（其中6个端口还能够进行PwM控制设置）,同时可外接各式各样的扩展板,连接多种功能的传感器,具有壮大的可拓展性,只须要通过配套数据线连接电脑端就能够快捷进行程序的烧录。ArduinoUNo的主控制芯片为ATmega328P,存储空间为32字节,另外具有1字节的EEPRoM存储器空间,有着很好的兼容性、更快的处理速度以及更好的稳定性。

为了简化硬件连线,运用了配套的V五.0根底扩展板,如图2所示,扩展板对应引脚可直接插在控制板上,有效地增加了VCC电源端口以及GND接地端口数量,大局部传感器及元器件可直接与扩展板连接,避免了运用传统的面包板进行电源配置,理线更为清晰明确。

图2本系统使用的Arduino扩展板

2.2AS608指纹模块

系统的指纹识别局部采用的是AS608指纹模块,该模块具备高性能的光学指纹芯片,内置DSP运算单元,集成了稳定的识别算法,能高效快捷地采集指纹图像并识别指纹特征。指纹模块主要用到4个端口,V＋端口通过连接开发板的＋5V电压输出口给指纹模块供电,+GN端口接入扩展板+GN端口接地,DT与XT端口和RAduino开发板的串口R2、串口R3相连,分别控制串行数据的输出与输写,以此进行指纹信息的收集和比对。

2.3门禁卡模块

门禁卡解锁局部采用的是MFXC-522射频卡感应模块,该模块老本低、体积小,集成了在1三.56MHz下所有类型的通信方式和协议,通信采用SP1模式,有利于减少连线,目前已经得到了较为广泛的应用。在门禁系统工作时,能够运用片状1C卡或水滴状芯片卡进行数据的比照。

2.4按键模块

按键解锁局部,在保证根本功能达到的前提下,采用的是老本更低的4×4薄膜矩阵键盘,只占用8个规范I/0接口,分别连接RAduino主板的4～11数字串口,达到按键模块与开发板之间的通信,完成密匙解锁、密匙修改等有关功能。

2.50LED显示模块

屏幕显示局部选用的是基于12C模式的0.96寸0LEN显示屏模块,该显示屏显示清晰,占用引脚少,老本较低,能够进行中文字符的精确显示,便于运用。其对应的库文件较为成熟,常用的有u8glib库、u8g2库以及RdafAuit库,在程序中调用库函数后,能够非常方便地编写显示文字的大小、位置,也能够利用图形转码软件,将图形或汉字转为代码,进而通过程序显示在0LEN屏幕上。

3软件设计

系统软件设计流程图如图3所示,控制板上电开机后,首先进行一次初始化,其次进入待机状态,系统会在0LEN显示屏上提示"等待解锁"字样,当用户须要解锁时,能够选取3种解锁方式中的任意一种,系统会自动对应,启动有关解锁程序,若任一模块采集到的信息与控制板中所存储的信息一致,则通过控制板程序控制继电器工作,接通锁体连接电路,完成开锁,同时0LEN显示屏上显示"欢迎进入"字样:若信息比对失败,则显示器显示"解锁失败"字样,继电器状态保持不工作,电磁锁不开锁。

4结语

门禁系统搭建完毕后进行解锁测试,系统上电后的整体效果如图4所示。经过实际测试,本文设计的多合一解锁方式的实验室智能门禁系统可以正常工作使用,测试效果良好。设计所使用的各类硬件模块性价比高,占用的I/0口较少,可以在后续开发中继续加入各类功能模块进一步升级系统。

本文完成了系统的基本硬件选型、连接及软件功能设计,对硬件选型进行了详细说明,提供了清晰的软件设计思路,可以为相关设计人员设计其他类似产品提供参考。

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基于单片机实验室智能监控系统的设计

崔吉1，张燕超2,赵军1

（1.中国矿业大学徐海学院，江苏徐州 221000； 2.中国石油天然气管道第二工程公司，江苏徐州 221000）

摘要：为了解决目前开放实验室管理存在的问题，研制了一个以STM32为控制核心的智能监控系统模型。该系统采用了模块化设计，并通过实际测试。该系统能实现室内温度监测和火灾预警、头像信息采集记录、射频卡门禁系统、单片机与手机之间信息通信、利用动态密码进入实验室及相关信息在触摸屏上显示。该智能监控系统新颖实用，能有效提高实验室管理。

0引言

为了培养在校大学生的实践动手能力，许多高校实验室已开放使用，参考文献［1］介绍了一种开放式的实验教学系统，借助刷卡机、管理机、服务器和校园网络的开放式实验教学管理系统，提高学生动手实践能力，因材施教。参考文献［2］介绍了一种利用构件和基于Agent的数据采集系统来实现对实验室在无管理员的状态下对使用人员和实验设备的监控和记录，便于实验设备的维护和实验室领导对实验课程开课安排。参考文献［3］利用PLC和STM32的智能实验室SCADA系统来监控实验室环境。目前高校开放一些实验室供学生使用，本文针对开放实验室管理中存在的诸多问题，设计了基于单片机的实验室智能监控系统。

1智能监控系统概述

实验室智能监控系统包括数据传输与处理和图像监控与存储两个方面。根据硬件不同，本系统分成4个子系统：门禁系统、GSM系统、图像采集系统、烟雾感应系统。门禁系统采用射频卡和动态密码两种方式进行身份认证和开锁，负责校园卡的识别与认证，GSM系统发送随机密码到实验室管理员手机。图像采集系统负责对进入实验室内的人员进行图像采集和备份。烟雾感应系统时刻监视实验室内是否有火灾发生。通过微处理器完成整体控制功能，利用总线及串口通信传输信息。高校实验室智能监控系统的整体结构如图1所示。主控制板和从控制板联系在一起，完成了整个系统的功能。单片机芯片处理传感器检测的信息，并将处理后的内容在TFT显示屏上显示。图1智能监控系统整体结构图用户可通过TFT触摸屏来选择查看实验室当前状态。

2智能监控系统硬件平台

本系统的硬件平台由单片机芯片、TFT屏显示、按键、门禁、GSM和摄像头组成。单片机分为主控制器和从控制器。主控制器主要连接烟雾传感器、RFID门禁卡、DS18B20、GSM模块。从控制器连接OV7670、红外传感器、SD卡。主、从控制器之间相互连接且分别连接一个TFT屏。

2.1微处理器

本系统所用外设较多，选用了双控制芯片［4］的模式，分为主、从控制器，芯片为STM32F103RBT6。STM32F103RBT6单片机共有64个引脚，需要合理分配。主控制器由STM32处理器及其外围电路（TFT屏、运行指示灯、电源稳压）组成；从控制器由STM32处理器及其外围电路（TFT屏、运行指示灯、电源稳压、SD卡）组成,主控制器电路如图2所示，从控制器与其类似，在此不再详述。

SIM300是一款双频高度集成的GSM模块，具有性能稳定、功耗低的特点。主控制器产生动态密码，SIM300将密码以短信的方式发送至管理员手机，通过索取密码、按键输入实现无钥匙进入实验室［5］。本系统设计了SIM300自动开机电路，开机引脚为第34脚，电容为330 μF/16 V。使用SIM300的RXD和TXD与单片机模拟的全串口相连，实现数据的交换和指令的发送，部分原理图如图3所示。

2.3TFT真彩2.8英寸触摸屏显示模块

本系统使用的是TFT液晶屏，由ILI9320驱动，采用16 bit的并行方式与外部连接。该模块功耗低,支持8 bit、16 bit总线接口,模拟I/O控制，彩屏模块上配置ADS7843触摸控制器,支持一个SD卡（SPI方式），支持一个SPI的Data Flash,构成人机交互图形界面。设计时TFTLCD模块的RST信号线与STM32的复位脚是直接相连的，虽无法通过软件方式进行复位控制，但可以有效节约芯片上的引脚。TFTLCD的背光是由专门一个的引脚进行控制的。因此总共需要21个I/O口。

2.4摄像头模块

本系统选用的摄像头型号为OV7670，CMOS图像传感器，整体尺寸较小，供电电压低，能实现单盘VGA摄像头和影像处理器的功能。由红外检测传感器触发摄像头模块工作，当实验室门打开时，人体红外感应器一旦感应到有人员进入就会启动摄像头自动拍照并将进入者的照片保存在SD卡上［68］。OV7670与FIFO相连，数据保存在FIFO中，从控制器与FIFO引脚相连。OV7670模块自带了12 MHz的有源晶振、稳压芯片和FIFO芯片，整个模块与外部的连接是通过2X9双排实现的，其控制原理如图4所示。

2.5室内环境监测

温度传感器DS18B20［9］通过单总线的模式与STM32进行数据传输，转换成温度显示在TFT屏上。烟雾传感器MQ2感应到室内烟雾浓度过高时，会自动发送报警信息到管理员手机上。

2.6RFIDMFRC522

MFRC522是一款基于13.56 MHz无线通信的集成度较高的读卡芯片，拥有安全且稳定的秘钥存储器，用于存储 Crypto1 秘钥组。门禁锁通过SPI与主控制器通信，MFRC522［1011］识别已被录入系统内的校园卡或其他IC卡，通过SPI将数据传入主控制器,TFT触摸屏显示校园卡卡号，主控制器进行卡号比对处理后将结果显示在TFT屏上，验证通过即可进入。本系统是通过SPI的方式与MFRC522相连接的，为其提供3.3 V的电压，外接天线实现读卡器与卡片的通信，如图5所示。

实验室智能监控系统的软件可分为主、从控制器、摄像头以及门禁密码锁3个部分，主要由底层驱动程序、系统主程序、显示子程序、串口通信子程序及GSM子程序等部分［12-15］组成。编程语言采用 C 语言进行编写。

当系统上电后，主、从控制器STM32F103RBT6开始进行工作，首先需要对其内部资源及外围模块进行初始化，包括对系统的时钟、GPIO管脚、中断向量、定时器以及串口等进行初始化。然后从EEPROM中读取传感器上下限阈值等固有参数。之后主控制器通过串口发送AT命令到GSM模块对其进行初始化，当初始化成功之后，就会进入主控制的显示界面，然后一直停留在GSM初始化的界面。鉴于篇幅原因，再此就不再详细介绍各模块程序。

4系统测试

本智能监控系统实物模型如图6所示。在此基础上，在实验室环境下分别对主、从控制板、触摸屏模块、DS18B图6智能监控系统硬件实物图20显示、MFRC52等性能进行测试，从其测试效果来看，液晶屏上能显示当时测试温度，

则对比了18B20传感器的测量精度；本系统读卡模块和显示模块正常，而且程序能正确识别IC卡；通过SIM模块测试，能发送动态验证密码来开启门禁系统。从测试结果来看，系统硬件运行良好，从而进一步验证设计的合理性。

5结论

本论文设计了一种以STM32F103RBT6为处理器且简单易行、造价低廉的实验室智能监控系统，并且完成主要功能模块选型以及软件设计和程序调试，实现通过采用手机短信、刷卡方式的门禁系统以及图像采集、火灾报警等功能。今后将在原有系统基础上对模块进行整合，在减小系统的体积及功能完善等方面做进一步工作。

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