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),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ArduinoUNO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ArduinoUNO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(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

2.1ArduinoUNO主板及擴(kuò)展板

本文使用ArduinoUNO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(xiàn)連接電腦端就可以快速進(jìn)行程序的燒錄。ArduinoUNo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(xiàn),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(xiàn)更為清晰明確。

圖2本系統(tǒng)使用的Arduino擴(kuò)展板

2.2AS608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,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＋5V電壓輸出口給指紋模塊供電,+GN端口接入擴(kuò)展板+GN端口接地,DT與XT端口和RAduino開(kāi)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(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MFXC-522射頻卡感應(yīng)模塊,該模塊成本低、體積小,集成了在13.56MHz下所有類(lèi)型的通信方式和協(xié)議,通信采用SP1模式,有利于減少連線(xiàn),目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。在門(mén)禁系統(tǒng)工作時(shí),可以使用片狀1C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/0接口,分別連接RAduino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。

2.50LED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(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RdafAuit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0LEN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0LEN顯示屏上提示"等待解鎖"字樣,當(dāng)用戶(hù)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)0LEN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/0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。