基于Arduino的實驗室智能門禁系統設計

陸帥 王超 李深奧 孫浩東

摘要：針對地方高校開放性實驗室的建設與發展，設計了一套用于實驗室的智能門禁管理系統，該系統以Arduino開源平臺作為核心控制組件，具備光學指紋解鎖功能、多位按鍵密碼解鎖功能以及門禁卡識別解鎖功能，通過結合3種不同的解鎖方式，實現多合一的解鎖效果。該設計可以應用于常規的實驗室門禁系統中，是一種低成本、低功耗、高性能的門禁系統，可以為其他類似產品的設計提供參考。

關鍵詞：Arduino;實驗室;門禁;指紋解鎖

0 引言

隨著地方高校建設的不斷發展，一種為學生提供自由實踐場所的創新性實驗室開始出現并普及，相關的課程設計環節中實驗教學所占比重越來越大。為了提高此類實驗室的利用率，很有必要對實驗室進行智能化管理升級[1]，智能門禁系統的應用，可以成為提高管理效率的一個重要手段。本文設計了一款基于Arduino UNO開源平臺的多功能智能門禁系統，通過AS608光學指紋模塊、門禁卡感應模塊、按鍵模塊、顯示模塊等，實現指紋的錄入與驗證，密碼與門禁卡開鎖，OLED顯示屏交互等功能，該系統設計方案較為簡單易行，可以為相關設計人員提供參考。

1 系統總方案設計

系統總體方案設計如圖1所示，本系統主要由Arduino UNO單片機電路主板、電源模塊、指紋模塊、門禁卡模塊、按鍵模塊、顯示模塊、繼電器以及12 V電磁鎖組成。系統由外接5 V/12 V雙路電源模塊供電，一路為系統主板供電，另一路為電磁鎖提供輸入電源。通過主板與3種傳感器模塊相連，實現指紋的錄入與驗證、密碼設置修改與驗證、門禁卡識別解鎖等功能，當工作人員需要進入實驗室時，可以靈活選擇3種不同的解鎖方式。該系統同時采用了OLED屏來實時顯示設備的基本信息與解鎖狀態，便于使用人員判斷門禁系統是否正常工作。

2 硬件設計選型

2.1? ? Arduino UNO主板及擴展板

本文使用Arduino UNO開源平臺為核心控制組件，相較于其他的開發平臺，其主要優勢在于性價比高、便捷靈活、方便上手，主控板具有豐富的I/O接口，其中A0～A5端口可進行模擬量的輸入、輸出，0～13端口可以進行數字量的輸入、輸出（其中6個端口還可以進行PWM控制設置），同時可外接各式各樣的擴展板，連接多種功能的傳感器，具有強大的可拓展性，只需要通過配套數據線連接電腦端就可以快速進行程序的燒錄。Arduino UNO的主控制芯片為ATmega328P，存儲空間為32字節，另外具有1字節的EEPROM存儲器空間，有著很好的兼容性、更快的處理速度以及更好的穩定性。

為了簡化硬件連線，使用了配套的V5.0基礎擴展板，如圖2所示，擴展板對應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接地端口數量，大部分傳感器及元器件可直接與擴展板連接，避免了使用傳統的面包板進行電源配置，理線更為清晰明確。

2.2? ? AS608指紋模塊

系統的指紋識別部分采用的是AS608指紋模塊，該模塊具備高性能的光學指紋芯片[2]，內置DSP運算單元，集成了穩定的識別算法，能高效快速地采集指紋圖像并識別指紋特征。指紋模塊主要用到4個端口，V+端口通過連接開發板的+5 V電壓輸出口給指紋模塊供電，GND端口接入擴展板GND端口接地，TX與RX端口和Arduino開發板的串口A2、串口A3相連，分別控制串行數據的輸出與輸入，以此進行指紋信息的收集和比對。

2.3? ? 門禁卡模塊

門禁卡解鎖部分采用的是MFRC-522射頻卡感應模塊，該模塊成本低、體積小，集成了在13.56 MHz下所有類型的通信方式和協議，通信采用SPI模式，有利于減少連線，目前已經得到了較為廣泛的應用[3]。在門禁系統工作時，可以使用片狀IC卡或水滴狀芯片卡進行數據的對比。

2.4? ? 按鍵模塊

按鍵解鎖部分，在保證基本功能實現的前提下，采用的是成本更低的4×4薄膜矩陣鍵盤，只占用8個標準I/O接口，分別連接Arduino主板的4～11數字串口，實現按鍵模塊與開發板之間的通信，完成密碼解鎖、密碼修改等相關功能。

2.5? ? OLED顯示模塊

屏幕顯示部分選用的是基于I2C模式的0.96寸OLED顯示屏模塊，該顯示屏顯示清晰，占用引腳少，成本較低，可以進行中文字符的準確顯示，便于使用。其對應的庫文件較為成熟，常用的有u8glib庫、u8g2庫以及Adafruit庫，在程序中調用庫函數后，可以非常方便地編寫顯示文字的大小、位置，也可以利用圖形轉碼軟件，將圖形或漢字轉為代碼，進而通過程序顯示在OLED屏幕上。

3 軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖3所示，控制板上電開機后，首先進行一次初始化，然后進入待機狀態，系統會在OLED顯示屏上提示“等待解鎖”字樣，當用戶需要解鎖時，可以選取3種解鎖方式中的任意一種，系統會自動對應，啟動相關解鎖程序，若任一模塊采集到的信息與控制板中所存儲的信息一致，則通過控制板程序控制繼電器工作，接通鎖體連接電路，完成開鎖，同時OLED顯示屏上顯示“歡迎進入”字樣;若信息比對失敗，則顯示器顯示“解鎖失敗”字樣，繼電器狀態保持不工作，電磁鎖不開鎖。

4 結語

門禁系統搭建完畢后進行解鎖測試，系統上電后的整體效果如圖4所示。經過實際測試，本文設計的多合一解鎖方式的實驗室智能門禁系統可以正常工作使用，測試效果良好。設計所使用的各類硬件模塊性價比高，占用的I/O口較少，可以在后續開發中繼續加入各類功能模塊進一步升級系統。

本文完成了系統的基本硬件選型、連接及軟件功能設計，對硬件選型進行了詳細說明，提供了清晰的軟件設計思路，可以為相關設計人員設計其他類似產品提供參考。

[參考文獻]

[1] 張潔.基于RFID技術的智能門禁系統設計[D].石家莊：河北科技大學，2010.

[2] 王瑜，白重陽，鄭帥勇，等.基于Arduino Mega2560的指紋鎖設計[J].國外電子測量技術，2020，39（3）：109-113.

[3] 趙宇.淺談門禁系統發展及技術趨勢[J].中國公共安全，2016（5）：67-70.

收稿日期：2021-06-17

作者簡介：陸帥（2000—），男，安徽鳳陽人，研究方向：機電產品設計。

通信作者：王超（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士，助教，研究方向：機電產品優化設計。