陸帥 王超 李深?yuàn)W 孫浩東

摘要：針對(duì)地方高校開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展，設(shè)計(jì)了一套用于實(shí)驗(yàn)室的智能門(mén)禁管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Arduino開(kāi)源平臺(tái)作為核心控制組件，具備光學(xué)指紋解鎖功能、多位按鍵密碼解鎖功能以及門(mén)禁卡識(shí)別解鎖功能，通過(guò)結(jié)合3種不同的解鎖方式，實(shí)現(xiàn)多合一的解鎖效果。該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)中，是一種低成本、低功耗、高性能的門(mén)禁系統(tǒng)，可以為其他類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：Arduino;實(shí)驗(yàn)室;門(mén)禁;指紋解鎖

0 引言

隨著地方高校建設(shè)的不斷發(fā)展，一種為學(xué)生提供自由實(shí)踐場(chǎng)所的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始出現(xiàn)并普及，相關(guān)的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)所占比重越來(lái)越大。為了提高此類(lèi)實(shí)驗(yàn)室的利用率，很有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行智能化管理升級(jí)[1]，智能門(mén)禁系統(tǒng)的應(yīng)用，可以成為提高管理效率的一個(gè)重要手段。本文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino UNO開(kāi)源平臺(tái)的多功能智能門(mén)禁系統(tǒng)，通過(guò)AS608光學(xué)指紋模塊、門(mén)禁卡感應(yīng)模塊、按鍵模塊、顯示模塊等，實(shí)現(xiàn)指紋的錄入與驗(yàn)證，密碼與門(mén)禁卡開(kāi)鎖，OLED顯示屏交互等功能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案較為簡(jiǎn)單易行，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，本系統(tǒng)主要由Arduino UNO單片機(jī)電路主板、電源模塊、指紋模塊、門(mén)禁卡模塊、按鍵模塊、顯示模塊、繼電器以及12 V電磁鎖組成。系統(tǒng)由外接5 V/12 V雙路電源模塊供電，一路為系統(tǒng)主板供電，另一路為電磁鎖提供輸入電源。通過(guò)主板與3種傳感器模塊相連，實(shí)現(xiàn)指紋的錄入與驗(yàn)證、密碼設(shè)置修改與驗(yàn)證、門(mén)禁卡識(shí)別解鎖等功能，當(dāng)工作人員需要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，可以靈活選擇3種不同的解鎖方式。該系統(tǒng)同時(shí)采用了OLED屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的基本信息與解鎖狀態(tài)，便于使用人員判斷門(mén)禁系統(tǒng)是否正常工作。

2 硬件設(shè)計(jì)選型

2.1? ? Arduino UNO主板及擴(kuò)展板

本文使用Arduino UNO開(kāi)源平臺(tái)為核心控制組件，相較于其他的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其主要優(yōu)勢(shì)在于性?xún)r(jià)比高、便捷靈活、方便上手，主控板具有豐富的I/O接口，其中A0～A5端口可進(jìn)行模擬量的輸入、輸出，0～13端口可以進(jìn)行數(shù)字量的輸入、輸出（其中6個(gè)端口還可以進(jìn)行PWM控制設(shè)置），同時(shí)可外接各式各樣的擴(kuò)展板，連接多種功能的傳感器，具有強(qiáng)大的可拓展性，只需要通過(guò)配套數(shù)據(jù)線連接電腦端就可以快速進(jìn)行程序的燒錄。Arduino UNO的主控制芯片為ATmega328P，存儲(chǔ)空間為32字節(jié)，另外具有1字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)器空間，有著很好的兼容性、更快的處理速度以及更好的穩(wěn)定性。

為了簡(jiǎn)化硬件連線，使用了配套的V5.0基礎(chǔ)擴(kuò)展板，如圖2所示，擴(kuò)展板對(duì)應(yīng)引腳可直接插在控制板上，有效地增加了VCC電源端口以及GND接地端口數(shù)量，大部分傳感器及元器件可直接與擴(kuò)展板連接，避免了使用傳統(tǒng)的面包板進(jìn)行電源配置，理線更為清晰明確。

2.2? ? AS608指紋模塊

系統(tǒng)的指紋識(shí)別部分采用的是AS608指紋模塊，該模塊具備高性能的光學(xué)指紋芯片[2]，內(nèi)置DSP運(yùn)算單元，集成了穩(wěn)定的識(shí)別算法，能高效快速地采集指紋圖像并識(shí)別指紋特征。指紋模塊主要用到4個(gè)端口，V+端口通過(guò)連接開(kāi)發(fā)板的+5 V電壓輸出口給指紋模塊供電，GND端口接入擴(kuò)展板GND端口接地，TX與RX端口和Arduino開(kāi)發(fā)板的串口A2、串口A3相連，分別控制串行數(shù)據(jù)的輸出與輸入，以此進(jìn)行指紋信息的收集和比對(duì)。

2.3? ? 門(mén)禁卡模塊

門(mén)禁卡解鎖部分采用的是MFRC-522射頻卡感應(yīng)模塊，該模塊成本低、體積小，集成了在13.56 MHz下所有類(lèi)型的通信方式和協(xié)議，通信采用SPI模式，有利于減少連線，目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[3]。在門(mén)禁系統(tǒng)工作時(shí)，可以使用片狀I(lǐng)C卡或水滴狀芯片卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比。

2.4? ? 按鍵模塊

按鍵解鎖部分，在保證基本功能實(shí)現(xiàn)的前提下，采用的是成本更低的4×4薄膜矩陣鍵盤(pán)，只占用8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，分別連接Arduino主板的4～11數(shù)字串口，實(shí)現(xiàn)按鍵模塊與開(kāi)發(fā)板之間的通信，完成密碼解鎖、密碼修改等相關(guān)功能。

2.5? ? OLED顯示模塊

屏幕顯示部分選用的是基于I2C模式的0.96寸OLED顯示屏模塊，該顯示屏顯示清晰，占用引腳少，成本較低，可以進(jìn)行中文字符的準(zhǔn)確顯示，便于使用。其對(duì)應(yīng)的庫(kù)文件較為成熟，常用的有u8glib庫(kù)、u8g2庫(kù)以及Adafruit庫(kù)，在程序中調(diào)用庫(kù)函數(shù)后，可以非常方便地編寫(xiě)顯示文字的大小、位置，也可以利用圖形轉(zhuǎn)碼軟件，將圖形或漢字轉(zhuǎn)為代碼，進(jìn)而通過(guò)程序顯示在OLED屏幕上。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，控制板上電開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行一次初始化，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)在OLED顯示屏上提示“等待解鎖”字樣，當(dāng)用戶需要解鎖時(shí)，可以選取3種解鎖方式中的任意一種，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)應(yīng)，啟動(dòng)相關(guān)解鎖程序，若任一模塊采集到的信息與控制板中所存儲(chǔ)的信息一致，則通過(guò)控制板程序控制繼電器工作，接通鎖體連接電路，完成開(kāi)鎖，同時(shí)OLED顯示屏上顯示“歡迎進(jìn)入”字樣;若信息比對(duì)失敗，則顯示器顯示“解鎖失敗”字樣，繼電器狀態(tài)保持不工作，電磁鎖不開(kāi)鎖。

4 結(jié)語(yǔ)

門(mén)禁系統(tǒng)搭建完畢后進(jìn)行解鎖測(cè)試，系統(tǒng)上電后的整體效果如圖4所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的多合一解鎖方式的實(shí)驗(yàn)室智能門(mén)禁系統(tǒng)可以正常工作使用，測(cè)試效果良好。設(shè)計(jì)所使用的各類(lèi)硬件模塊性?xún)r(jià)比高，占用的I/O口較少，可以在后續(xù)開(kāi)發(fā)中繼續(xù)加入各類(lèi)功能模塊進(jìn)一步升級(jí)系統(tǒng)。

本文完成了系統(tǒng)的基本硬件選型、連接及軟件功能設(shè)計(jì)，對(duì)硬件選型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，提供了清晰的軟件設(shè)計(jì)思路，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)其他類(lèi)似產(chǎn)品提供參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張潔.基于RFID技術(shù)的智能門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2010.

[2] 王瑜，白重陽(yáng)，鄭帥勇，等.基于Arduino Mega2560的指紋鎖設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2020，39（3）：109-113.

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收稿日期：2021-06-17

作者簡(jiǎn)介：陸帥（2000—），男，安徽鳳陽(yáng)人，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

通信作者：王超（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士，助教，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。