引言

隨著地方高校建設的不斷發(fā)展,一種為學生提供自由實踐場所的創(chuàng)新性實驗室開始出現(xiàn)并普及,相關(guān)的課程設計環(huán)節(jié)中實驗教學所占比重越來越大。為了提高此類實驗室的利用率,很有必要對實驗室進行智能化管理升級,智能門禁系統(tǒng)的應用,可以成為提高管理效率的一個重要手段。本文設計了一款基于ArduinoUNO開源平臺的多功能智能門禁系統(tǒng),通過AS608光學指紋模塊、門禁卡感應模塊、按鍵模塊、顯示模塊等,實現(xiàn)指紋的錄入與驗證,密碼與門禁卡開鎖,OLED顯示屏交互等功能,該系統(tǒng)設計方案較為簡單易行,可以為相關(guān)設計人員提供參考。

1系統(tǒng)總方案設計

系統(tǒng)總體方案設計如圖1所示,本系統(tǒng)主要由ArduinoUNO單片機電路主板、電源模塊、指紋模塊、門禁卡模塊、按鍵模塊、顯示模塊、繼電器以及12V電磁鎖組成。系統(tǒng)由外接5V/12V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。通過主板與3種傳感器模塊相連,實現(xiàn)指紋的錄入與驗證、密碼設置修改與驗證、門禁卡識別解鎖等功能,當工作人員需要進入實驗室時,可以靈活選擇3種不同的解鎖方式。該系統(tǒng)同時采用了OLED屏來實時顯示設備的基本信息與解鎖狀態(tài),便于使用人員判斷門禁系統(tǒng)是否正常工作。

2硬件設計選型

2.1ArduinoUNO主板及擴展板

本文使用ArduinoUNO開源平臺為核心控制組件,相較于其他的開發(fā)平臺,其主要優(yōu)勢在于性價比高、便捷靈活、方便上手,主控板具有豐富的I/o接口,其中A0～A5端口可進行模擬量的輸入、輸出,0～13端口可以進行數(shù)字量的輸入、輸出（其中6個端口還可以進行PwM控制設置）,同時可外接各式各樣的擴展板,連接多種功能的傳感器,具有強大的可拓展性,只需要通過配套數(shù)據(jù)線連接電腦端就可以快速進行程序的燒錄。ArduinoUNo的主控制芯片為ATmega328P,存儲空間為32字節(jié),另外具有1字節(jié)的EEPRoM存儲器空間,有著很好的兼容性、更快的處理速度以及更好的穩(wěn)定性。

為了簡化硬件連線,使用了配套的V5.0基礎(chǔ)擴展板,如圖2所示,擴展板對應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展板連接,避免了使用傳統(tǒng)的面包板進行電源配置,理線更為清晰明確。

圖2本系統(tǒng)使用的Arduino擴展板

2.2AS608指紋模塊

系統(tǒng)的指紋識別部分采用的是AS608指紋模塊,該模塊具備高性能的光學指紋芯片,內(nèi)置DSP運算單元,集成了穩(wěn)定的識別算法,能高效快速地采集指紋圖像并識別指紋特征。指紋模塊主要用到4個端口,V＋端口通過連接開發(fā)板的＋5V電壓輸出口給指紋模塊供電,+GN端口接入擴展板+GN端口接地,DT與XT端口和RAduino開發(fā)板的串口R2、串口R3相連,分別控制串行數(shù)據(jù)的輸出與輸入,以此進行指紋信息的收集和比對。

2.3門禁卡模塊

門禁卡解鎖部分采用的是MFXC-522射頻卡感應模塊,該模塊成本低、體積小,集成了在13.56MHz下所有類型的通信方式和協(xié)議,通信采用SP1模式,有利于減少連線,目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應用。在門禁系統(tǒng)工作時,可以使用片狀1C卡或水滴狀芯片卡進行數(shù)據(jù)的對比。

2.4按鍵模塊

按鍵解鎖部分,在保證基本功能實現(xiàn)的前提下,采用的是成本更低的4×4薄膜矩陣鍵盤,只占用8個標準I/0接口,分別連接RAduino主板的4～11數(shù)字串口,實現(xiàn)按鍵模塊與開發(fā)板之間的通信,完成密碼解鎖、密碼修改等相關(guān)功能。

2.50LED顯示模塊

屏幕顯示部分選用的是基于12C模式的0.96寸0LEN顯示屏模塊,該顯示屏顯示清晰,占用引腳少,成本較低,可以進行中文字符的準確顯示,便于使用。其對應的庫文件較為成熟,常用的有u8glib庫、u8g2庫以及RdafAuit庫,在程序中調(diào)用庫函數(shù)后,可以非常方便地編寫顯示文字的大小、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,進而通過程序顯示在0LEN屏幕上。

3軟件設計

系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖3所示,控制板上電開機后,首先進行一次初始化,然后進入待機狀態(tài),系統(tǒng)會在0LEN顯示屏上提示"等待解鎖"字樣,當用戶需要解鎖時,可以選取3種解鎖方式中的任意一種,系統(tǒng)會自動對應,啟動相關(guān)解鎖程序,若任一模塊采集到的信息與控制板中所存儲的信息一致,則通過控制板程序控制繼電器工作,接通鎖體連接電路,完成開鎖,同時0LEN顯示屏上顯示"歡迎進入"字樣:若信息比對失敗,則顯示器顯示"解鎖失敗"字樣,繼電器狀態(tài)保持不工作,電磁鎖不開鎖。

4結(jié)語

門禁系統(tǒng)搭建完畢后進行解鎖測試,系統(tǒng)上電后的整體效果如圖4所示。經(jīng)過實際測試,本文設計的多合一解鎖方式的實驗室智能門禁系統(tǒng)可以正常工作使用,測試效果良好。設計所使用的各類硬件模塊性價比高,占用的I/0口較少,可以在后續(xù)開發(fā)中繼續(xù)加入各類功能模塊進一步升級系統(tǒng)。

本文完成了系統(tǒng)的基本硬件選型、連接及軟件功能設計,對硬件選型進行了詳細說明,提供了清晰的軟件設計思路,可以為相關(guān)設計人員設計其他類似產(chǎn)品提供參考。