智能家居門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

俞 萍，劉 輝，郭有環(huán)

(廣東培正學(xué)院)

0 引言

當(dāng)今是信息技術(shù)高速發(fā)展時(shí)代，各種信息技術(shù)都走進(jìn)我們生活中，使得我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化．智能家居也應(yīng)運(yùn)而生，智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)［1］．智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全的家庭生活空間，還提供全方位的信息交換，智能化自動(dòng)控制，信息交流更便捷，生活方式更優(yōu)越，增強(qiáng)了家居生活的安全性，節(jié)約了各種資源．智能家居系統(tǒng)將成為現(xiàn)代化住宅發(fā)展的必然趨勢(shì)．智能家居也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)物，主要應(yīng)用了嵌入式、無(wú)線通信、傳感器技術(shù)等．

智能門(mén)禁系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種智能家居中的防范系統(tǒng)，它是通過(guò)安裝在家庭門(mén)口或樓宇門(mén)口的一種有RFID控制板、電子門(mén)鎖、出門(mén)按鈕、報(bào)警傳感器和報(bào)警喇叭等設(shè)備組成的一種智能門(mén)禁設(shè)備．用戶通過(guò)刷卡(RFID卡)讀取卡號(hào)密碼等信息與服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)其授權(quán)進(jìn)行開(kāi)門(mén)的一種裝置，它對(duì)人員的進(jìn)出具有:授權(quán)、查詢、統(tǒng)計(jì)和防盜、報(bào)警等多種功能．他可以與任何機(jī)電設(shè)備及控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)．既方便人員的自由出入，又可以杜絕外來(lái)人員隨意進(jìn)出，提高管理區(qū)域的安全防范能力［2］．

1 設(shè)計(jì)總體框架

該設(shè)計(jì)研究主要是設(shè)置一個(gè)RFID的智能門(mén)禁系統(tǒng)．當(dāng)拿預(yù)先設(shè)置了密碼的IC卡，向RFID模塊刷卡時(shí)，如果密碼不正確，則繼電器常開(kāi)，紅燈亮，表示門(mén)不開(kāi);如果密碼正確，則繼電器閉合，綠燈亮，坨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，蜂鳴器響，表示開(kāi)門(mén)．系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示．

1．1 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)軟件主要由 Arduino模板、I2C LCD1602模塊(液晶顯示模塊)、RFID模板、繼電器這幾部分組成，在硬件電路的基礎(chǔ)上通過(guò)函數(shù)調(diào)用軟件，以實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)操作和共享．門(mén)禁系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示．

(1)RFID讀寫(xiě)卡程序設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖2 門(mén)禁系統(tǒng)軟件程序流程圖

射頻技術(shù)也簡(jiǎn)稱RFID，叫做射頻識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)稱射頻技術(shù)．RFID模塊可以通過(guò)對(duì)卡號(hào)密鑰進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)據(jù)交換和CRC計(jì)算，通過(guò)讀卡、寫(xiě)卡操作，并調(diào)塊數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)并保存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡號(hào)的驗(yàn)證．

(2)繼電器控制程序設(shè)計(jì)

繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一［3］．這次設(shè)計(jì)主要通過(guò)繼電器的閉開(kāi)狀態(tài)控制坨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到開(kāi)關(guān)門(mén)的設(shè)定．當(dāng)繼電器導(dǎo)通觸發(fā)信號(hào)-高電平有效時(shí)，表示為輸出;當(dāng)觸發(fā)信號(hào)-低電平有效，表示斷開(kāi)．下面是一個(gè)繼電器控制的核心程序:

程序說(shuō)明:程序中所注釋的導(dǎo)通與斷開(kāi)是指我們想要的那一路即我們使用的是NO端，當(dāng)S送入高電平繼電器開(kāi)關(guān)打向 NO端，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，與之相連的坨機(jī)便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，否則開(kāi)關(guān)打向 NC端，NO方向斷開(kāi)，坨機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)．

繼電器針腳說(shuō)明如圖3所示．

圖3 針腳說(shuō)明

(3)I2C LCD1602模塊程序設(shè)計(jì)

在這個(gè)模塊中，使用了 LCD1602 LCD顯示器，將Arduino控制板與LCD顯示器進(jìn)行相連接，并通過(guò)代碼對(duì)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)交互，讓顯示器顯示出門(mén)禁系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)，如:當(dāng)密碼正確時(shí)顯示“Welcome”，密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示“Password error”［4-5］．

下面是顯示模塊代碼的一部分，當(dāng)密碼正確時(shí)顯示“Welcome”，密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示“Password error”．

1．2 設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)一共由6個(gè)模塊組成分別是:Arduino模塊、RFID讀卡模塊、開(kāi)門(mén)電路、顯示電路報(bào)警電路、電源模塊，通過(guò)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換和信息交換，組成一個(gè)RFID智能門(mén)禁設(shè)備，其中各模塊功能如下:

(1)Arduino模塊:Arduino是一個(gè)能夠用來(lái)感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具．Arduino可以與大量的開(kāi)關(guān)、傳感器、led燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備相連接，并且可以對(duì)它們進(jìn)行各種各樣的識(shí)別與控制．Arduino的核心電路圖如圖4所示［4-5］:

圖4 Arduino電路圖

(2)RFID讀卡模塊:射頻技術(shù)也簡(jiǎn)稱RFID，叫做射頻識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)稱射頻技術(shù)．由電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成，電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射 頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換．RFID讀卡模塊電路如圖5所示．

圖5 RFID讀卡模塊電路

(3)開(kāi)門(mén)電路:由繼電器和坨機(jī)組成，對(duì)刷卡后是否能夠進(jìn)行開(kāi)門(mén)的顯示．

(4)顯示電路:由I2C LCD1602模塊(液晶顯示模塊)組成，可以直觀地顯示門(mén)禁開(kāi)門(mén)時(shí)的歡迎語(yǔ)和卡號(hào)．顯示電路如圖6所示:

(5)報(bào)警電路:通過(guò)蜂鳴器和其他的元件組成，當(dāng)密碼錯(cuò)誤是，有提示音的警報(bào)功能．報(bào)警電路如圖7所示．

(6)電源模塊:通過(guò)USB線對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的電路提供穩(wěn)定的+5V的直流電壓．

圖6 顯示電路

圖7 報(bào)警電路

2 系統(tǒng)功能調(diào)試

在進(jìn)行軟件調(diào)試前，先進(jìn)行代碼的人工檢查，在程序中多添加注釋?zhuān)@樣方便檢查，并且對(duì)設(shè)備電路進(jìn)行檢查．在檢查信息無(wú)誤后，再開(kāi)始進(jìn)行編譯動(dòng)態(tài)檢查，根據(jù)提示信息找出程序中出錯(cuò)的地方進(jìn)行改正修改．檢查無(wú)誤后，對(duì)程序進(jìn)行燒錄到Arduino主板之中，通過(guò)USB接入到移動(dòng)電源，主板電源指示燈亮，整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行測(cè)試．

當(dāng)有合法的RFID卡，進(jìn)入到RFID讀卡模塊的讀卡范圍內(nèi)時(shí)，則自動(dòng)讀取卡序列號(hào)，讀卡成功，開(kāi)門(mén)指示燈綠燈亮、繼電器紅燈亮、坨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、LCD顯示“Welcome”，說(shuō)明門(mén)開(kāi)．實(shí)驗(yàn)成功;當(dāng)非法的RFID卡進(jìn)入RFID讀卡模塊的讀卡范圍內(nèi)時(shí)，開(kāi)門(mén)指示燈紅燈亮、繼電器沒(méi)反應(yīng)、坨機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)、蜂鳴器響、LCD 顯示“Password error”，說(shuō)明門(mén)不開(kāi)．實(shí)驗(yàn)成功．

當(dāng)設(shè)備連接上PC機(jī)時(shí)，打開(kāi)Arduino軟件測(cè)試時(shí)，當(dāng)讀卡成功后，在串口數(shù)據(jù)監(jiān)視窗口會(huì)顯示RFID卡的卡號(hào)和密碼，讀卡失敗后會(huì)顯示RFID卡的卡號(hào)并顯示“error”，實(shí)驗(yàn)成功．

最后整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本完成，此時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)具體功能表現(xiàn)如下:

(1)數(shù)據(jù)采集:RFID讀卡模塊能將讀取到的RFID卡數(shù)據(jù)傳輸出去．

(2)數(shù)據(jù)分析:Arduino板收到數(shù)據(jù)后，能將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，PC機(jī)再對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

(3)數(shù)據(jù)處理:在刷卡后，各個(gè)模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換并作出相應(yīng)的處理，例如門(mén)控、顯示、報(bào)警等．

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這次的設(shè)計(jì)與研究，對(duì)RFID的工作原理有了深刻的認(rèn)識(shí)和熟悉，掌握了有關(guān)Arduino、RFID、繼電器等有關(guān)設(shè)備的基本應(yīng)用與機(jī)開(kāi)發(fā)使用．同時(shí)也了解到物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能門(mén)禁的相關(guān)知識(shí)．相信在物聯(lián)網(wǎng)不斷進(jìn)步與發(fā)展的時(shí)代里，“智能家居”也會(huì)不斷地發(fā)展，智能門(mén)禁也不斷地前進(jìn)，這些都將是未來(lái)信息智能化的主要發(fā)展方向．智能家居的建設(shè)任重而道遠(yuǎn)，需要緊跟社會(huì)時(shí)代的發(fā)展潮流，為廣大用戶提供更好更安全的家居環(huán)境．

［1］ 陳國(guó)棟．基于射頻識(shí)別技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］．中南大學(xué)，2005．1．

［2］ 董蘊(yùn)華，鄭先鋒．基于RFID技術(shù)的無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．通信技術(shù)，2009(4):105-107．

［3］ 游戰(zhàn)清，李蘇劍，張益強(qiáng)，等．無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

［4］ 李剛，曾銳利，林凌．基于射頻識(shí)別技術(shù)的智能交通系統(tǒng)［J］．信息與控制，2006，35(5):55-59．

［5］ 劉彤．無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境及關(guān)鍵射頻技術(shù)的研究［D］．南京:東南大學(xué)，2006．93-121．