基于Arduino的实验室智能门禁系统设计

时间：2022-02-14 23:35:24

关键字： Arduino 门禁指纹解锁

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[导读]摘要:针对地方高校开放性实验室的建设与发展,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、多位按键密码解锁功能以及门禁卡识别解锁功能,通过结合3种不同的解锁方式,实现多合一的解锁效果。该设计可以应用于常规的实验室门禁系统中,是一种低成本、低功耗、高性能的门禁系统,可以为其他类似产品的设计提供参考。

引言

随着地方高校建设的不断发展,一种为学生提供自由实践场所的创新性实验室开始出现并普及,相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,可以成为提高管理效率的一个重要手段。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,实现指纹的录入与验证,密码与门禁卡开锁,OLED显示屏交互等功能,该系统设计方案较为简单易行,可以为相关设计人员提供参考。

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入电源。通过主板与3种传感器模块相连,实现指纹的录入与验证、密码设置修改与验证、门禁卡识别解锁等功能,当工作人员需要进入实验室时,可以灵活选择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基本信息与解锁状态,便于使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

本文使用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、便捷灵活、方便上手,主控板具有丰富的I/o接口,其中A0～A5端口可进行模拟量的输入、输出,0～13端口可以进行数字量的输入、输出（其中6个端口还可以进行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,具有强大的可拓展性,只需要通过配套数据线连接电脑端就可以快速进行程序的烧录。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。

基于Arduino的实验室智能门禁系统设计

为了简化硬件连线,使用了配套的V5.0基础扩展板,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,大部分传感器及元器件可直接与扩展板连接,避免了使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

系统的指纹识别部分采用的是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,能高效快速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入,以此进行指纹信息的收集和比对。

2.3门禁卡模块

门禁卡解锁部分采用的是MFXC-522射频卡感应模块,该模块成本低、体积小,集成了在13.56MHz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,可以使用片状1C卡或水滴状芯片卡进行数据的对比。

2.4按键模块

按键解锁部分,在保证基本功能实现的前提下,采用的是成本更低的4×4薄膜矩阵键盘,只占用8个标准I/0接口,分别连接RAduino主板的4～11数字串口,实现按键模块与开发板之间的通信,完成密码解锁、密码修改等相关功能。

2.50LED显示模块

屏幕显示部分选用的是基于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,成本较低,可以进行中文字符的准确显示,便于使用。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,可以非常方便地编写显示文字的大小、位置,也可以利用图形转码软件,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,然后进入待机状态,系统会在0LEN显示屏上提示"等待解锁"字样,当用户需要解锁时,可以选取3种解锁方式中的任意一种,系统会自动对应,启动相关解锁程序,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。