辦公區域門禁系統的設計與實現*

沈 妍，李青君，孟慶昊，蘇 波

（首都師范大學 物理系，北京100048）

目前，許多辦公區域對門禁系統的需求越來越多，用戶對這類產品用量的增加，充分體現了人們對射頻識別產品的認同，并逐步擴大其應用范圍。就目前來說較為有效、安全方便的身份認證技術就是射頻識別技術，門禁系統通過采用RFID 刷卡、射頻識別來進行身份驗證，當今世界上RFID 卡主流產品普遍應用飛利浦（Philips）公司的Mifare 技術，RFID 的整套系統包含3 個部分，分別是RFID 電子標簽、讀寫器和計算機及應用軟件[1]。已經被認定為國際標準ISO/IEC14443 Type A 標準。歐洲及其他發展中國家的一些RFID 卡、讀卡器制造商都以Mifare 技術為標準進行設計生產[2]。用RFID 卡來代替人工又或者是代替鑰匙，更加方便操作。

采用電子標簽取代了傳統的機械門鎖的RFID 門禁系統，采用系統的數據處理單元進行自動化管理。射頻識別門禁系統的用戶不用再經過繁瑣的過程開門。此外，因本次設計是辦公區域的門禁設計，門控流量較少，且出入人員相對單一，射頻門禁設備是個很好的選擇。

鍵盤、指紋、人臉、RFID、虹膜等是經常采用的單項門禁識別系統的識別方式。每一種識別方式都有其不可比擬的特征和優勢，本次設計使用的是RFID 卡的認證方式，會事先將辦公區域的人員信息錄入到存儲器中，這種識別方式的門禁系統具有操作簡便、識別速度快、成本較低、用戶范圍廣等優勢[3]。辦公區域的門禁系統主要針對進出大樓進行管理與控制，對于傳統的利用人來管理控制的門禁來說，隨著經濟的快速發展，這種低效率低回報的方式不再適用，可靠性也沒有那么高，所以通過此次引入射頻識別技術，實現通過刷卡來控制人員的進出，防止外來人員的進出，變得十分必要。

本次設計是將數據線連接電腦，電腦供電，打開電腦后，電源開始供電，上位機運行，下位機將收到讀卡命令，在讀卡范圍內若讀到RFID 卡，則卡的序列號會被自動讀取，并傳輸給上位機，并判斷卡是否為有效卡，若為有效卡，Arduino 會控制舵機模塊轉動從而開門，并在LCD顯示屏上顯示信息，若為非法的卡，則蜂鳴器報警，并顯示非法進入。

近些年物聯網技術逐漸受到廣泛的關注，不斷發展的物聯網技術涉及各個范圍，而在這其中涉及范圍最廣的是射頻識別技術，應用也較為廣泛，利用無線電訊號方式的RFID 射頻識別技術是識別RFID 標簽等目標并且物理接觸不需要被建立。利用RFID 技術構建的門禁管理系統可以實現無人化管理，避免人為因素的影響，使得系統具有良好的可靠性和安全性。本文所介紹的就是這樣一種基于RFID 物聯網技術的門禁管理系統的設計。

本系統采用Arduino UNO 開發板作為硬件基礎燒錄代碼，使用通過IIC 轉接的顯示屏來顯示當前用戶信息，能夠方便地顯示是否為當前大樓人員，若為非法入侵，蜂鳴器會響應，十分方便安全，適合辦公區域門禁系統對于出入人員的管理控制。

1 實驗部分

1.1 硬件設計模塊

硬件模擬連接如圖1 所示，開發板上面連接了五個模塊，分別是舵機模塊、蜂鳴器模塊、LCD 顯示屏模塊、TTS 語音播報模塊、射頻識別模塊。在這五個模塊共同作用下，完成辦公區域門禁系統的設計與實現，同時還具備報警功能。本文中的辦公區域門禁系統的設計與實現的硬件電路連接分為五個部分，分別是：Arduino UNO R3與MFRC522 射頻識別模塊的連接，Arduino UNO R3 與LCD1602 顯示模塊的連接，Arduino UNO R3 與舵機的連接，Arduino UNO R3 與蜂鳴器的連接，Arduino UNO R3 與TTS 語音播報模塊的連接。各個模塊通過杜邦線實現與Arduino UNO R3 開發板的連接。

圖1 硬件連接實物圖

1.2 軟件控制模塊

打開Arduino 軟件，用數據線與UNO 板相連，保證RXD 與TXD 端在燒錄代碼時不被占用，將代碼通過軟件燒錄進開發板中，即可讓硬件開始工作。本文中使用Arduino IDE 平臺進行系統程序的編譯，程序調試完成后使用USB 數據線上傳到所使用的Arduino UNO R3 單片機的存儲器中。

在對辦公區域門禁系統的設計中，MRFC522 射頻模塊、LCD1602 顯示模塊以及SG90 舵機等模塊的控制程序都直接寫入到Arduino UNO R3 單片機的存儲器中。在本次設計中，主要的部分就是當刷卡時，通過對MRFC522 射頻識別模塊的編程實現對 RFID 卡一系列操作，其中主要包括了卡片讀寫、卡片休眠和防沖突等操作。

1.3 系統測試

1.3.1 硬件測試環境

本辦公區域門禁系統的設計與實現涉及到的硬件部件有:

（1）IIC 轉接的LCD 顯示屏。

（2）Arduino UNO 控制板。

（3）MFRC522 射頻識別模塊、TTS 語音播報模塊、舵機、蜂鳴器等。

1.3.2 軟件測試環境

本次辦公區域門禁系統的設計與實現通過Ardunio IDE 進行編譯完成后下載到指定模塊的控制板內部，并且進行調試使其正常工作。

測試過程如下：

RFID 卡信息：

卡1：99 12 96 5A

卡2：69 E1 91 5A

先用數據線將電腦端口與Arduino UNO R3 單片機連接起來，電腦進行供電，代碼燒錄到Arduino UNO R3里后，進行測試，分別刷有效卡與無效卡，打開串口監視器，查看測試結果如圖2 所示。

圖2 RFID 卡讀取測試

2 結果與討論

結果測試數據設計為：卡1，有權限RFID 卡（卡號為99 12 96 5A）；卡2，無權限RFID 卡（卡號為69 E1 91 5A）。使用USB 數據線連接Arduino UNO R3 單片機與電腦，實現對系統的供電。系統自動運行，LCD 顯示屏輸出系統使用引導語句“Welcome back”和“Swipe your card”，即系統進入待機狀態，將RFID 卡1 放置在MFRC522 射頻識別模塊上時，綠色的LED 燈亮，TTS 語音播報模塊播報“刷卡成功”，控制模塊控制舵機轉動180°，LCD 顯示屏顯示“Shenyan swipe card successfully”隨后舵機自動復位, 如圖3 所示。將RFID 卡2放置在MFRC522 射頻識別模塊上時，紅色的LED 燈亮，TTS 語音播報模塊播報“刷卡失敗”，同時蜂鳴器進行鳴叫報警，LCD 顯示屏顯示“Unknown card”，如圖4 所示。

圖3 刷有效卡卡1

圖4 刷無效卡卡2

辦公區域門禁系統的設計與實現，對于經濟快速發展的今天格外重要，因為現在辦公大樓越來越多，且辦公大樓內的資料也較為私密，每棟大樓都是獨立的一部分，員工進入大樓前都需要進行身份驗證，得到許可后方可進入，門禁系統對辦公大樓的人員管理提供了極大方便。在帶來方便的同時，也減少了人力物力財力的浪費，這就是科技發展帶給人的便利，物聯網技術現如今發展迅速，物物相連已經涉及到各個方面，射頻識別也因價格適中受到廣泛關注。