韩改宁，韩丽娜，张清文

基于Arduino开发平台的学生宿舍门禁系统设计*

韩改宁，韩丽娜，张清文

（咸阳师范学院计算机学院，咸阳712000）

从学生宿舍的财产安全和人员安全管理的角度考虑，开发一款可为学生提供有效的安全保障的门禁管理系统。本设计以Arduino单片机为开发平台，射频模块读取IC卡信息，识别后通过Arduino平台控制安装在门锁上的舵机打开门锁，并通过LCD显示模块显示门禁系统的各个状态信息。通过实验验证，该系统能识别有权限的IC卡，在刷卡时可以开启门锁的功能，操作使用方便、成本低、安全性高。

门禁系统；Arduino；射频模块；舵机模块；IC卡

引 言

门禁系统（Entrance Guard/Access Control System）又称出入管理控制系统，是在传统的门锁基础上发展而来的对出入口通道进行管制的系统，用于管理人员的进出，限制未经授权者进出特定区域，从而提供有效的安全保障，还可根据实际需要来查询相关的出入或操作记录［1］。

现在的校园开放，越来越社会化，校园案件急剧上升，高校宿舍学生众多，门多不易管理，学生经常忘带钥匙，常出现盗窃伤害等事件［2］。近几年，我国社会经济的发展和居民收入水平得到了很大的提高，宿舍安全已成为学生生活的重要内容，学生迫切需要一个具有安全可靠，并且可以方便快捷的门禁系统，利用这个系统使得宿舍开锁更加方便，同时为了适应信息时代的需要，保证学校公寓内部的安全性，满足学生的需求，门禁系统应运而生［3］。门禁系统集电脑技术、电子技术、机械技术、和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。

1　学生宿舍门禁系统的组成

基于Arduino单片机的学生宿舍门禁系统采用Arduino UNO R3作为控制器，选用MFRC522射频模块作为非接触式IC卡读卡器，舵机作为动力驱动装置，LCD1602作为显示模块，移动电源作为供电装置。系统总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

（1）射频模块

射频模块采用的是MFRC522，它是13.56 MHz的一种高度集成的可以读/写的进行非接触通信的模块，该模块支持ISO14443A协议［4］。该MFRC522的内部发射器部分的设计能够驱动一个读/写器天线，无需额外有源电路与ISO/IEC卡和应答器进行通信。当IC卡进入到读卡器读卡范围时，读卡器读取卡序列号，将其传给控制器和录入系统的卡号进行对比［13］。

（2）舵机模块

舵机就是一个伺服马达，其内部有一个微型的直流电机，为马达提供动力；还有一个变速的齿轮组，齿轮组来带动舵机臂的转动，本实验中舵机的作用是用来接受命令后驱动门锁，达到开锁的作用。

（3）电源模块

将室压220 V的电压转化为开发板可用的5 V电压，从而用来给所需的硬件设备提供电力。

（4）显示模块

显示模块选择了字符式LCD显示器1602，该显示器的显示容量是16×2个字符，用来接收单片机发送的数据信息，根据相应的IC卡卡号信息、开门提示信息等，进行下一步的操作。

（5）门禁lC卡

许可证其实就是有权限的IC卡，当出现没有权限的IC卡时，系统将不能启动舵机，只有授权过的卡才可以开启门锁。

2　硬件系统设计

基于Arduino开发板的宿舍门禁系统的电路包含了以下几类：射频模块信息采集电路、LCD1602显示电路、舵机驱动电路。硬件系统的总体结构图如图2所示。

图2　系统硬件总体结构图

2.1元器件的选择

（1）主控模块—Arduino UNO R3

Arduino UNO R3是Arduino USB系列的最新产品。UNO的核心处理器是ATmega328，Arduino UNO拥有数字输入/输出口共14个，存储区包括片上32 KB Flash（其中0.5 KB用于Bootloader），以及2 KB SRAM和1 KB EEPROM。脉冲宽度调制PWM 3、5、6、9、10、11提供6路8位PWM输出［5］。

（2）读卡器—射频模块MFRC522

该MFRC522是13.56 MHz的一种高度集成的可以读/写的进行非接触通信的模块，该模块支持ISO14443A协议。该MFRC522的内部发射器部分的设计能够驱动一个读/写器天线无需额外有源电路与ISO/IEC卡和应答器进行通信［6］。接收器部分提供了一个强大的和高效率的执行的解调和解码电路，从ISO/IEC兼容卡接受应答信号。数字部分处理完整ISO/IEC14443A帧和错误检测（奇偶校验位）。该MFRC522支持使用更高的传输非接触式通信，速度可达848 kbps，该模块与开发板通过SPI通信。MFRC3522射频模块实物图如图3所示。

图3　射频模块MFRC522

（3）LCD液晶—LCD1602

LCD1602主要用于显示正确及错误信息，因此从性价比上考虑，选择了字符式LCD显示器1602，该显示器的显示容量是16×2个字符。本系统显示电路设计如图4所示。

图4　LCD显示屏

本设计中，需要将LCD 1602与Arduino单片机引脚连接起来，如表1所列。

表1　显示电路引脚连接

（4）门控器件—SG90舵机

SG90舵机是电机的一种，当给它一个角度指令时，它就会转到指定的角度，很多机器人的关节部位用到的都是这种马达。工作原理如下：直流马达驱动齿轮组转动，电位器将检测结果反馈给控制系统，控制系统把反馈结果与参数进行比较，然后进行调整直到转动到指定位置，这种反馈的机理可以大大提高舵机的精确度。控制线控制伺服马达有两条线，分别为电源线和地线。其中红色的是电源线，黑色的是地线。高电平维持的时间不同，转动的角度就会不同。舵机的实物如图5所示。

舵机的脉冲与角度位置的关系如图6所示。

表2显示了舵机与Arduino单片机的引脚连接。

图5　舵机实物图

表2　显示电路引脚连接

图6　舵机脉冲与角度相位图

2.2硬件电路原理图

采用Arduino UNO R3开发板作为控制器，MFRC522射频模块识别非接触式IC卡，SG90舵机作为动力驱动装置，带I2C总线的LCD1602作为显示模块，在Protues下设计各个模块之间的原理图如图7所示。

2.3整体连接

将Arduino UNO R3单片机、射频模块MFRC522、LCD1602显示屏模块、舵机模块、供电模块等组合到一块，如图8所示。

图7　Arduino UNO R3单片机原理图

3　门禁系统软件设计

本系统的控制元件较多，程序代码较多，所以对MF RC522和LCD1602的控制程序使用封装好的库文件。因此，采用模块化程序设计方法，以C语言实现的控制程序，按模块存储在Arduino芯片内，无需单片机扩展存储器接口，简化了系统硬件结构，降低了成本，同时又提高了系统的稳定性。

基于Arduino开发板的宿舍门禁系统，包括射频模块、显示模块、舵机模块，这些程序全部固化到Arduino的存储器中。软件流程图如图9所示。

Arduino IDE提供了各种型号的Arduino开发板的C编译器、宏汇编、连接器和功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，本课题在Windows 7平台下的Arduino IDE 1.6.0版本进行调试。Arduino IDE提供两个函数：void setup（）实现板块的初始化操作，void loop（）实现板块接口的具体功能。

图8　硬件整体连接

图9　软件流程图

图10　Arduino l DE运行界面

4　软硬件测试

用USB数据线将Arduino控制器与电脑连接上，安装USB转串口驱动，再将各个模块连接好，点击桌面上的Arduino图标，打开Arduino，选择电路板型号，然后在编辑区编写代码，编译应用程序。编译通过后，将应用程序下载到Arduino控制板中，可以识别卡的信息，控制舵机旋转。运行效果如图11～13所示。

［1］Carrier Anne Philbin.零基础学Raspberry Pi［M］.北京：人民邮电出版社，2015.

［2］宋凯，姚嘉明，李静，等.基于树莓派的智能家居控制开关的研究［J］.电子技术与软件工程，2015（21）.

［3］梁勇.Java语言程序设计基础篇［M］.北京：机械工业出版社，2016.

［4］赖江，李英祥，何琪，等.基于Raspberry Pi的电梯彩屏显示系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2014（5）.

［5］李文胜.基于树莓派的嵌入式Linux开发教学探索［J］.电子技术与软件工程，2014（9）.

［6］鸟哥.鸟哥的Linux私房菜基础学习篇［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［7］苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树莓派的物联网开放平台［J］.电子科技，2015（9）.

郭亮（高级工程师），主要从事电力电子技术在电力系统中的应用、继电保护、智能用电等方面的工作。

结 语

本设计采用低成本STM8S003微控器开发高速无刷直流电机控制系统，STM8S003微控器内部高级定时器具有4个捕获/比较通道，3个互补输出全部使用，其所有I/O口都已占用，并在内部运行控制时序逻辑和PID控制算法，从而使微型高速无刷直流电机转速稳定、恒定。本设计经过长时间的实际应用，该设计制作小巧、成本低、驱动板能耗小，效率高，运行稳定，具有一定的市场前景。

参考文献

［1］邓少华，孙琦，高强，等.采用STM8S的无刷直流电机控制系统的设计［J］.电子产品世界，2013（1）.

［2］张琛.直流无刷电动机原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］赵影，王欣宇.CortexM3的直流无刷电机控制系统的设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，12（7）：77-79.

［4］王晨阳，张玘，熊九龙.基于DSP的无刷直流电机控制系统设计［J］.微计算机信息，2008，24（7）：67.

［5］张健，王笑竹，张健，等.dsPIC30F6010的直流无刷电机控制系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2015，15（9）：57-60.

邹存名（讲师），主要研究方向为多自由度机械手臂控制研究、嵌入式开发；韩秀梅（讲师），主要研究方向为网络控制系统中的事件触发控制，切换系统的控制。

（责任编辑：杨迪娜 收稿日期：2016-04-13）

图11　待机状态

图12　刷卡后显示6位卡号

图13　有权限的卡显示开启

结 语

针对目前高校宿舍安全问题，利用Arduino单片机设计的门禁系统，采用IC射频卡识别技术、舵机控制技术及LCD显示技术，解决了过去单片机焊接线路板子的繁琐过程，大大提高了工作效率。模块化的接口设计方便其与其他模块的组合，使得门禁系统的功能更加多元化。该系统可以应用于其他需要监管的门禁场所。

参考文献

［1］海广，李洪鹏，余震.基于arduino单片机控制的玩具设计及可视化实现［J］.科技创业月刊，2013（4）：37-38.

［2］俞萍，刘辉，郭有环.智能家居门禁系统的设计与研究［J］.哈尔滨师范大学：自然科学学报，2015，31（6）：91-94.

［3］海特，许腾.Arduino网络门禁控制系统［J］.无线电，2011（10）：5253.

［4］俞萍，揭志华，汤榕文，等.“智慧校园”门禁系统的设计［J］.广东培正学院论丛，2015（4）：91-94.

［5］郭宇智，林福炎，高旭东，等.基于RFID的门禁与身份识别系统研究［J］.科技创新与应用，2014（15）：51-51.

［6］刘泽良，胡日新.物联网技术下基于Arduino的智能公交系统模型设计［J］.实验技术与管理，2014，31（11）：140-143.

韩改宁（讲师），主要研究方向为单片机与嵌入式系统应用开发。

（责任编辑：杨迪娜 收稿日期：2016-03-31）

Student Dormitory Access Control System Based on Arduino Platform

Han Gaining，Han Lina，Zhang Qingwen
（School of Computing，Xianyang Normal Universty，Xianyang 712000，China）

Aiming at the property safety and personnel safety management of students dormitory，an access control system is designed. This design takes the Arduino as the development platform，the RF module identifies the IC card information，and then the steering gear is controlled to open the door lock through the Arduino platform.The LCD display module can display the different status information of the entrance guard system.The experiment results show that the system can identify the IC card with authority，and the card can open the door.The system has the functions of easy to use，low cost and high security.

access control aystem；Arduino；radio frequency module；steering engine；IC card

TP39.1

A

��杨迪娜

2016-03-31）

*项目名称：咸阳师范学院引进人才项目（项目编号：13XSYK053）；校级

科研项目（项目编号：12XSYK071）。