基于物聯網技術的多功能門禁控制器設計

王 斌 龍 騰 江西服裝學院大數據學院 南昌市 330201

0 引言

在高校中師生需要在多個場合進行活動，例如在實驗室、宿舍、圖書館等，這些場所均需要保持一定的安全性，避免閑雜無關人員隨便出入，為了解決該問題，目前較好的辦法就是引入智能門禁管理系統，通過該系統可實現符合條件的人員正常出入，不符合條件的人員禁止出入，進而實現對相應場所在無人值守的情況下進行安全、有序、高效管理［1］。

通過對這些場所的進出人員情況進行調研和統計分析得出結論，一般主要分為3種人員，第一種是學生和教師，是進入這些場合的主要人員，可通過校園一卡通刷卡進出上述場所；第二種是臨時人員，可通過輸入授權臨時密碼進出上述場所；第三種是管理人員，可通過指紋識別方式進出上述場所。當然也可根據需要為相關人員開通兩種及以上的解鎖方式，以更加靈活的方式來管理相關場所的安全。此外，隨著物聯網相關技術的快速發展，RFID相關模塊、指紋識別模塊、核心控制單片機等硬件設備的價格也越來越親民，相關技術也日益成熟。因此，根據上述分析情況設計開發出一種多功能門禁控制系統具有很強的可行性和必要性［2］。

1 系統總體功能設計

本設計要求在系統上電之后可實現三種解鎖功能：

（1）通過矩陣鍵盤按鍵輸入當前門禁密碼，且可以利用鍵盤來實現管理門禁密碼［3］；

（2）當RFID卡進入讀寫模塊的感應區域內，讀寫器即可自動讀取卡號，單片機根據卡號信息對卡的合法性進行判斷［4-6］，若該卡合法注冊，系統會解鎖門禁并在液晶屏上顯示卡號，若該卡未注冊，則無法解鎖；

（3）用戶將已錄入指紋信息的手指放到指紋采集頭上即可實現指紋解鎖［3］。

此外，當用戶解鎖失敗次數達三次便會觸發蜂鳴器報警以警示用戶的使用，同時鍵盤被鎖。系統總體功能如圖1所示。

圖1 系統總體功能圖

2 系統硬件電路設計

本系統硬件以單片機為主控核心，整體上包含六大模塊，分別是單片機最小系統、按鍵模塊、指紋識別模塊、RFID識別模塊、存儲模塊和液晶顯示模塊［7］，其整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 門禁系統硬件框圖

2.1 單片機最小系統電路設計

最小系統電路由單片機、電源電路、復位電路和時鐘電路4部分組成電［1］，其中單片機選取STC89C52RC型，電源電壓為5V，復位電路采用上拉電容下拉電阻的上電復位，連接單片機的第9管腳，時鐘電路中選取晶振頻率為11.0592MHz，連接單片機的第18和19管腳并串聯30pF電容進行濾波以提高穩定性，具體電路如圖3所示。

圖3 單片機最小系統電路

2.2 液晶顯示電路設計

為了便于設置和顯示密碼、提示信息等，采用液晶顯示模塊LCD12864進行顯示和提示。通過單片機控制LCD12864顯示十分方便，其7～14數據管腳直接連接單片機P0口，控制端RS、RW和EN分別接單片P2.6、P2.7和P2.8口，數據通過P0口以8位并行方式傳遞給顯示模塊，具體電路如圖4所示。

圖4 單片機最小系統電路

2.3 指紋模塊接口電路設計

本系統選取ATK-AS608模塊進行指紋識別，該模塊配備了串口通信接口，用戶無須研究復雜的圖像處理及指紋識別算法，只需通過簡單的串口便可控制該模塊，模塊引腳具體說明如表1所示，具體接口電路如圖5所示，其管腳1接3.3V電源，管腳2和管腳3分別連接單片P3.0和P3.1口，通過串行方式實現數據的收發，管腳4接地，管腳5與單片機P3.7口相連，默認高電平有效來控制感應信號的輸出，管腳6是觸摸感應電源輸入端，供電電壓為3.3V。

表1 ATK-AS608模塊引腳說明圖

圖5 指紋模塊接口電路

2.4 RFID模塊接口電路設計

本系統選取MFRC522模塊完成對RFID卡的讀寫操作［4］，其使用方便，成本低廉，適用于設備、讀卡器的開發。該模塊有八個引腳，其工作電壓為3.3V，相關引腳具體說明如表2所示。

表2 MFRC522模塊引腳說明圖

該模塊中，串行數據線引腳連接單片機的P2.1口，SCK時鐘引腳連接單片機P2.2口，RC522接收MOSI引腳與單片機的P2.3口相連，RC522輸出MISO引腳與單片機的P2.4口相連，中斷請求輸出引腳IRQ未使用，復位引腳RST與單片機的P2.5口相連，電源引腳接入3.3V直流電壓。

2.5 存儲器接口電路設計

為了實現斷電用戶數據不丟失，選取存儲器AT24C02進行存儲。AT24C02采用I2C總線方式進行通信，十分方便與單片機進行數字通信，其中串行時鐘引腳SCL和串行數據/地址引腳SDA管腳分別與單片機的P3.4口和P3.5口連接實現串行通信，寫保護引腳WP與單片機的P3.3口連接，器件地址選擇引腳A0、A1、A2全部接高電平。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要圍繞著RFID 卡的識別和管理、指紋識別和管理、密碼識別和管理、液晶屏顯示提示信息等4個方面來實現對應的功能。

系統首先完成各模塊相關參數的初始化工作，初始化完成后LCD12864液晶屏將會顯示歡迎使用多功能電子鎖字樣，接下來可根據實際需要選擇對應功能按鍵，并完成相應操作：①當按下RFID卡管理鍵，即可完成增加RFID卡新用戶信息、刪除和修改已有RFID卡用戶信息等操作，實現對RFID卡用戶信息的有效管理。②當按下指紋管理鍵，就可以完成增加指紋新用戶信息、刪除和修改已有指紋用戶信息等操作，實現對指紋用戶信息的有效管理。③當按下密碼管理鍵，就可以進入增加密碼新用戶信息、刪除和修改已有密碼用戶信息等操作環節，實現對密碼信息的有效管理。④當選擇RFID卡識別模式時，當識別到已注冊合法的RFID卡時即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示無法識別該卡或該卡未注冊等信息提醒用戶。⑤當選擇指紋識別模式時，當識別到已注冊合法的指紋時即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示該指紋未注冊等信息提醒用戶。⑥當選擇密碼識別模式時，當輸入的密碼是注冊過的即可順利打開門禁，否則顯示屏會提示密碼無效等信息提醒用戶，同時當輸入的密碼連續錯誤3次就會進行蜂鳴器報警提示，此時需要過一段時間才能再次輸入密碼解鎖門禁，整體上系統工作流程如圖6所示。

圖6 系統總體運行流程圖

4 系統功能測試

4.1 管理員設置功能

系統設置了10個鍵分別對應0～9來輸入數字密碼，另外6 個按鍵其功能分別對應為：“A”鍵代表向上翻頁，“B”鍵代表向下翻頁，“C”鍵代表返回上一操作界面，“D”鍵代表管理員操作界面，“#”代表確認按鍵，“*”代表退格，通過這些按鍵便可以實現門禁密碼的錄入和刪除、RFID卡的登記和注銷、指紋的注冊、注銷以及清空等操作，最終可實現對進出門禁人員信息的安全有效的管理。

4.2 指紋識別功能

上電初始化完成后，首先需要將指紋信息錄入系統，在錄入過程中需要對指紋信息進行連續采集3次，全部符合要求即可正常錄入系統，最后返回初始狀態，此時只需將已錄入指紋的手指放置在指紋采集頭上，之后發出滴的一聲并且指示燈亮起，即可實現門禁解鎖，屏幕上會顯示門已打開和用戶編號。否則未注冊用戶通過此門禁時，LCD12648液晶屏幕上會提示指紋無效，門禁無法正常解鎖。

4.3 RFID卡識別功能

上電初始化完成后，用戶只需將校園一卡通（RFID卡）靠近MFRC522讀寫器感應區，屏幕將會顯示門已打開和對應一卡通編號。當RFID卡未注冊時，將其放置在感應區時，屏幕會顯示信息錯誤和對應的卡號，門禁無法正常解鎖。

4.4 密碼識別功能

上電初始化完成后，即可通過矩陣鍵盤輸入注冊過的合法密碼，單片機處理后即可發送指令控制繼電器模塊來解鎖門禁，同時還會伴隨著指示燈的亮起和繼電器開鎖的聲響。當輸入非法密碼時顯示屏會提示密碼錯誤，門禁無法正常解鎖。

4.5 測試結果

分別對系統的管理員設置功能、指紋識別功能、RFID卡識別功能、密碼識別功能等4個主要方面的功能進行了模擬測試，管理員設置功能中的按鍵操作均能準確無誤地實現對應功能，能夠達到預期效果；指紋識別功能測試過程中發現有個別情況無法正確識別有效指紋，分析其原因發現，一般情況下是指紋未完全對正、指紋按壓力度較輕、指紋出現了水質等污染等相關情況，因此，在進行指紋識別時只需要注意以上幾點，避免出現這些情況就可以以較高的識別率通過指紋識別；RFID卡識別功能測試過程中發現，當一卡通偏離了讀卡器或距離過遠就無法正常讀取，因此，在刷卡時避免出現上述情況即可快速高效地識別；密碼識別功能測試過程整體比較順利，未發現相關異?，F象。綜上所述，系統總體功能經測試完全能夠達到預期效果。

5 結束語

在充分分析了高校相關公共場所實際需求的情況下，特別是高校實驗室、圖書館、學生宿舍等場所對進出人員的安全性有較高的實際需求，并結合高校實際情況開發了一套多功能門禁控制器，該系統可實現密碼識別、RFID卡識別和指紋識別三種不同的方式來解鎖門禁。其中密碼識別主要針對臨時進出人員，同時可對密碼有效時間進行設置；RFID卡識別主要針對師生，其充分利用師生手中的校園一卡通（RFID卡）實現刷卡進出，大大節約相關資源；指紋識別可主要針對相關場所的管理人員來進行使用。當然在具體實際使用過程中，也可根據實際需要授權相關人員使用多種解鎖門禁方式，在更加高效有序地管理相關公共場所安全的同時，也在一定程度上實現了對上述公共場所進出人員進行了較好的分類管理。系統經實際測試，各項功能均能達到預期效果，其整體上具有較好的實際應用價值和研究意義。