求一種基于Arduino的門禁系統設計方案

摘 要

家庭使我們日常生活中最重要的一個地方，是我們最溫馨的港灣。家庭的安全直接關系到我們生活的幸福感。門禁系統就是我們家庭安全的第一道屏障。隨著生活水平的提高，家庭安全的重要性也得到了前所未有的關注。近幾年電子技術飛速發展，使得電子門禁系統也得到了前所未有的發展。智能門禁系統逐漸成為門禁系統中的主要角色?，F如今一些高科技的門禁系統都以問世，比如采用指紋解鎖的門禁系統、采用人臉識別方式進行檢測的門禁系統、采用虹膜識別的門禁系統等等都已經有許多成熟的應用。

本次設計的智能門禁系統，采用Arduino單片機為主控核心，利用相關傳感器及相關器件組成檢測與驅動裝置。本次設計的智能門禁采用按鍵與IC卡相結合的輸入方式，使用者可以通過按鍵輸入門禁密碼，或者通過IC卡進入門禁系統。門禁系統設有LCD液晶顯示器，可以顯示系統時間及當前門禁狀態，同時系統配備有網絡模塊，通過網線與互聯網相連接。系統可以實現遠程網頁開關門禁系統。同時使用者可以通過按鍵進行系統設定及密碼修改。

本設計說明書詳細的敘述了從系統方案設計及核心芯片的選型，深入淺出的講解了各部分電路的工作原理。

第一章 緒 論

1.1 引言

1.1.1 研究背景

從古至今，人們習慣用普通的門鎖來保護他們的財產，以及防止非法人員進出房間等私密場所，這種簡單的方法一直延續了很久。然而普通的門鎖始終離不開鑰匙，而且每把門鎖需要一把與之相對應的鑰匙，需要加鎖的地方也越來越多，導致需要隨聲攜帶很多把鑰匙。

鑰匙多了就不方便于攜帶，并且容易丟失和被盜，安全很差。在科技高速發展的現在，傳統的門鎖已經不能滿足人們對安防的需求，為了從根本上改變這種局面，產生了智能門禁系統，它是在電子、機械、光學、生物識別技術、計算機技術和通信技術等新技術的基礎上開發出來的，它也是新時代很優秀的產物[1]。

在科技飛速發展的今天，門禁系統已發展成為一套多功能的現代化管理系統。它對出入口及通道的作用已經不再是單純的鑰匙和鎖的管理，能夠幫助內部實現有序的管理方式，能夠準確的記錄人員的出入時間、出入情況等，限制人員的出入范圍，也可以很好的拒絕非法人物進入。同時，它也可以有效的防范財產受到非法侵犯。門禁管理系統已經成為了安全防范系統中很重要的部分，在當今社會應用廣泛，已經在辦公室，賓館，智能大廈，智能小區等各種大門、通道、房間的管理得到了廣泛應用。

房地產事業發展的迅猛，小區門禁系統也隨之成為小區住宅樓不可缺少的配套設施，它很好的保護了住戶的人身安全和財產安全。微型計算機和單片機的迅速發展，它們在各領域的智能化應用為智能門禁系統提供了技術和條件。門禁系統在今后仍會有很好的發展前景。

1.1.2智能安防系統介紹

以“智能門禁系統設計”的設計的話題，這一個方案以“智能門禁”這一理念，所以在這里有必要對“智能門禁”做一個簡單的介紹?，F在家庭生活質量追求不斷提升?，F在技術不斷提升比如：PCB板的精細、無線通信、微電子的發展?，F在的單片機的速度在不斷加速，加上傳感器的精密度不斷提升。這一系列的資源為提升一個智能門禁系統就很容易實現。智能門禁離不開語音的提示的系統，市

場上的語音的芯片特別是語音的解碼部分的性能的提升。小區實現一個智能門禁系統就能很簡單了，人們的生活環境不斷提升。智能門禁的特點，它是融合了PCB板的精細、無線通信、網絡的通信等等。小區用了智能門禁的手段來管理控制出入來往的客人，比如，通過指紋識別、無線傳送、電話、互聯網或者語音識別控制，通過這一類的傳感器的控制，并將它們柔和在一個系統中。另一方面，一般高級一點的智能門禁系統，都是實現多塊單片機的通信，用到無線的通信是比較方便。這樣會系統的效率提高一個檔次。

1.1.3智能門禁系統國內外的研究現狀

目前，國內對門禁系統的研究已經從認知教育和試用進入到了研發階段，但在門禁系統的設計與研發過程中還有一些不足之處，其表現為：

(1)對國外已有的系統進行仿造；

(2)采用國外現有的集成模塊，如門禁控制器，讀寫器，天線模板等；

(3)產品形式缺乏多樣化、投入資金消耗量大。

在技術方面，中國當前也有很多企業仿制國外的門禁系統，目前的做法有兩種，一是采購外國商家的系統零部件，例如門控器，讀寫器等，再對這些芯片進行二次軟硬件的設計。此系列系統的性能較好，能夠滿足那些對安全有嚴格要求的場所，但是價格昂貴。二是，在購買核心芯片之外，對國外其他部件的優質產品進行研制。

此方式容易變通，可以隨時滿足客戶對門禁系統的合理性要求，且價格比較便宜。從內部系統結構出發可看出，國內的門禁系統多數以控制器為核心研制的，門控器部分由國外廠家開發。就是門禁控制器要接收讀卡器的信號，再根據信號來決定是否開門。國內在目前先進的智能系統的研發處于滯后狀態，不過相信在未來我國一定能夠研發出完全屬于自己的智能系統。

1.1.4 研究意義

門禁系統是智能建筑樓宇自動化系統中的安全系統，是一種新型現代化安全管理系統。小區建筑物內的重要管理區、存放貴重物的倉庫、控制中心等重要位置的通道口的安全防護都非常重要，這就必然需要研究一套相應的防護措施即：智能門禁系統，他可以識別人員身份，控制人員進出，門禁系統是保障小區住戶的人身財產安全的重要工具。同時還可以通過小區門禁系統的設計，熟悉掌握單片機的特點、編程技巧以及其應用，在設計過程加深對其他相關課程內容的學習、理解和掌握。

（1）小區門禁系統是安全防范系統中常見的設施，能夠對智能住宅的重要通道進行管理，保障住戶的人身及財產安全，減少或防止非法行為的發生。

（2）小區門禁系統可以對住戶及訪客的出入情況進行常規統計管理，并記錄檔案為突發事件提供相關資料，便于以后的查閱。

（3）該設計可以為住戶和訪客提供了便捷有效的出入方式，方便了人們間的交往，實現了社會的融洽相處。

第二章 系統總體方案設計

2.1系統設計預實現功能

（1）使用按鍵輸入密碼的方式進行解鎖；

（2）使用IC卡的方式進行解鎖；

（3）采用遠程網頁控制的方式進行解鎖；

（4）使用LCD進行系統時間的顯示。

2.2系統總體方案框圖

圖2-1 系統總體方案框圖

如上圖所示本次設計的智能門禁系統主要由控制器、非接觸式讀卡器、按鍵、顯示器、網絡模塊等電路組成。其中非接觸讀卡器主要用來實現IC卡刷卡進入門禁系統，按鍵輸入電路用來實現手動輸入密碼進入門禁，顯示器用來顯示系統的狀態等參數，網絡模塊用來實現PC端網頁控制。系統的硬件電路介紹及選型在第三章進行介紹。

第三章 系統電路設計

本章節主要對系統的各模塊電路進行介紹，主要包括電路的設計及選型依據等進行介紹。

3.1 系統主控制器選擇

本次設計的智能門禁系統中，主控制器是最為關鍵的部分，它用于控制各個傳感器及驅動裝置，負責協調整個系統。所以主控制器設計的好壞直接關系到系統設計的成功與否。通常在進行智能門禁系統中比較常用的控制器有嵌入式處理器、Arduino、DSP等?，F對以上三種控制器進行介紹：

3.1.1嵌入式處理器

嵌入式處理器種類繁多，現以一種比較常用的芯片STM32F103為代表做簡介的介紹。STM32是意法公司推出的基于ARM內核的嵌入式微處理器系列，，其下其主要包括基本系列增強型系列、USB基本型系列、互補型系列。其中STM32F103是一款基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式微處理器。其最高系統主頻為72Mhz，屬于一歀中低檔的工業嵌入式處理器。

改處理器擁有豐富的片上外設。包括定時器、高精度ADC、工業CAN總線、SPI、I2C、USB及高速UART等外設，STM32F103系列處理器擁有者強大的電源管理系統可以實現低功耗的系統控制而且在部分產品上面具有硬件以太網模塊，可以很方便的實現以太網控制。

同時其片上還有硬件的乘法器除法器，可以提示運算速度。這些出色的特點使得STM32F103系列在工業控制、智能電源、電機控制、醫療儀器設備等領域有著出色的表現及應用。目前很多門禁控制系統中采用這種處理器作為核心控制器?？梢院芊奖愕膶崿F控制系統的設計。而且目前關于STM32F系列處理器的應用設計也是比較多的，所以進行系統的設計的時候有許多成熟的設計可供參考。

3.1.2 Arduino控制器

Arduino是最近幾年才發展起來的一種硬件開源控制平臺。其內部核心也是單片機，主要是ATMEGA公司生產的單片機。它構建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；另外一個則是Arduino IDE，你的計算機中的程序開發環境。你只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板要做些什么了。

Arduino可以通過不同類型的傳感器來感知外界環境，再通過對燈光和馬達等其他裝置的控制反饋到環境，進而對環境產生影響。板子上的微控制器利用Arduino平臺的編程語言來編寫程序，再轉譯成二進制的文件，燒錄到微控制器中。通過利用基于 Wiring的Arduino編程語言和基于 Processing的Arduino開發環境來實現的對Arduino的編程。

基于Arduino的項目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，他們之間進行通信 (比如 Flash,Processing, MaxMSP)來實現。

Arduino平臺的主要特點是：

（1）跨平臺：Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統上運行，而其他的大多數控制器只能在Windows上開發。

（2）簡單清晰：processing IDE是Arduino IDE開發的基礎，初學者更容易掌握學習，同時有足夠的靈活性。Arduino語言是基于wiring語言而開發，是對 avr-gcc庫的二次封裝，對于單片機基礎、編程基礎的功底要求不高，通過簡單的學習之后，就可以快速的進行開發。

（3）開放性：Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，只要不違反開源協議就可以對原始設計及相應代碼作出修改。

（4）發展迅速：Arduino不僅僅是全球最流行的開源硬件，也是一個優秀的硬件開發平臺，更是硬件開發的趨勢。Arduino的開發方式非常的簡單，這也促使開發者更加注重創意和實現，保質保量的完成項目開發，不僅極大節約了學習耗費的成本，而且縮短了開發的周期。

審核編輯：劉清