智能家居门禁系统的设计与研究*

俞 萍，刘 辉，郭有环

(广东培正学院)

0 引言

当今是信息技术高速发展时代，各种信息技术都走进我们生活中，使得我们的生活发生了翻天覆地的变化．智能家居也应运而生，智能家居是以住宅为平台，利用网络通信技术、综合布线技术、自动控制技术等将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统［1］．智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全的家庭生活空间，还提供全方位的信息交换，智能化自动控制，信息交流更便捷，生活方式更优越，增强了家居生活的安全性，节约了各种资源．智能家居系统将成为现代化住宅发展的必然趋势．智能家居也是物联网技术的一种应用产物，主要应用了嵌入式、无线通信、传感器技术等．

智能门禁系统是近几年发展起来的一种智能家居中的防范系统，它是通过安装在家庭门口或楼宇门口的一种有RFID控制板、电子门锁、出门按钮、报警传感器和报警喇叭等设备组成的一种智能门禁设备．用户通过刷卡(RFID卡)读取卡号密码等信息与服务器的数据进行校验其授权进行开门的一种装置，它对人员的进出具有:授权、查询、统计和防盗、报警等多种功能．他可以与任何机电设备及控制系统联动．既方便人员的自由出入，又可以杜绝外来人员随意进出，提高管理区域的安全防范能力［2］．

1 设计总体框架

该设计研究主要是设置一个RFID的智能门禁系统．当拿预先设置了密码的IC卡，向RFID模块刷卡时，如果密码不正确，则继电器常开，红灯亮，表示门不开;如果密码正确，则继电器闭合，绿灯亮，坨机转动，蜂鸣器响，表示开门．系统整体框架图如图1所示．

1．1 软件设计

设计软件主要由 Arduino模板、I2C LCD1602模块(液晶显示模块)、RFID模板、继电器这几部分组成，在硬件电路的基础上通过函数调用软件，以实现各模块之间的数据操作和共享．门禁系统软件程序流程如图2所示．

(1)RFID读写卡程序设计

图1 系统整体框架图

图2 门禁系统软件程序流程图

射频技术也简称RFID，叫做射频识别技术，简称射频技术．RFID模块可以通过对卡号密钥进行验证，通过数据交换和CRC计算，通过读卡、写卡操作，并调块数据到缓冲区并保存缓冲区的数据，进行卡号的验证．

(2)继电器控制程序设计

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一［3］．这次设计主要通过继电器的闭开状态控制坨机的转动，以达到开关门的设定．当继电器导通触发信号-高电平有效时，表示为输出;当触发信号-低电平有效，表示断开．下面是一个继电器控制的核心程序:

程序说明:程序中所注释的导通与断开是指我们想要的那一路即我们使用的是NO端，当S送入高电平继电器开关打向 NO端，开关导通，与之相连的坨机便会转动，否则开关打向 NC端，NO方向断开，坨机停止转动．

继电器针脚说明如图3所示．

图3 针脚说明

(3)I2C LCD1602模块程序设计

在这个模块中，使用了 LCD1602 LCD显示器，将Arduino控制板与LCD显示器进行相连接，并通过代码对设备进行互联交互，让显示器显示出门禁系统的相关状态，如:当密码正确时显示“Welcome”，密码错误时显示“Password error”［4-5］．

下面是显示模块代码的一部分，当密码正确时显示“Welcome”，密码错误时显示“Password error”．

1．2 设计硬件实现

该设计一共由6个模块组成分别是:Arduino模块、RFID读卡模块、开门电路、显示电路报警电路、电源模块，通过各个模块之间的数据交换和信息交换，组成一个RFID智能门禁设备，其中各模块功能如下:

(1)Arduino模块:Arduino是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具．Arduino可以与大量的开关、传感器、led灯、电机和其他物理设备相连接，并且可以对它们进行各种各样的识别与控制．Arduino的核心电路图如图4所示［4-5］:

图4 Arduino电路图

(2)RFID读卡模块:射频技术也简称RFID，叫做射频识别技术，简称射频技术．由电子标签和阅读器两部分组成，电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射 频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换．RFID读卡模块电路如图5所示．

图5 RFID读卡模块电路

(3)开门电路:由继电器和坨机组成，对刷卡后是否能够进行开门的显示．

(4)显示电路:由I2C LCD1602模块(液晶显示模块)组成，可以直观地显示门禁开门时的欢迎语和卡号．显示电路如图6所示:

(5)报警电路:通过蜂鸣器和其他的元件组成，当密码错误是，有提示音的警报功能．报警电路如图7所示．

(6)电源模块:通过USB线对门禁系统的电路提供稳定的+5V的直流电压．

图6 显示电路

图7 报警电路

2 系统功能调试

在进行软件调试前，先进行代码的人工检查，在程序中多添加注释，这样方便检查，并且对设备电路进行检查．在检查信息无误后，再开始进行编译动态检查，根据提示信息找出程序中出错的地方进行改正修改．检查无误后，对程序进行烧录到Arduino主板之中，通过USB接入到移动电源，主板电源指示灯亮，整个系统启动，进行测试．

当有合法的RFID卡，进入到RFID读卡模块的读卡范围内时，则自动读取卡序列号，读卡成功，开门指示灯绿灯亮、继电器红灯亮、坨机转动、LCD显示“Welcome”，说明门开．实验成功;当非法的RFID卡进入RFID读卡模块的读卡范围内时，开门指示灯红灯亮、继电器没反应、坨机不转动、蜂鸣器响、LCD 显示“Password error”，说明门不开．实验成功．

当设备连接上PC机时，打开Arduino软件测试时，当读卡成功后，在串口数据监视窗口会显示RFID卡的卡号和密码，读卡失败后会显示RFID卡的卡号并显示“error”，实验成功．

最后整个系统的设计基本完成，此时系统的各项具体功能表现如下:

(1)数据采集:RFID读卡模块能将读取到的RFID卡数据传输出去．

(2)数据分析:Arduino板收到数据后，能将数据传送到PC机，PC机再对对数据进行分析．

(3)数据处理:在刷卡后，各个模块会进行相应的数据交换并作出相应的处理，例如门控、显示、报警等．

3 结束语

通过这次的设计与研究，对RFID的工作原理有了深刻的认识和熟悉，掌握了有关Arduino、RFID、继电器等有关设备的基本应用与机开发使用．同时也了解到物联网、智能家居、智能门禁的相关知识．相信在物联网不断进步与发展的时代里，“智能家居”也会不断地发展，智能门禁也不断地前进，这些都将是未来信息智能化的主要发展方向．智能家居的建设任重而道远，需要紧跟社会时代的发展潮流，为广大用户提供更好更安全的家居环境．

［1］ 陈国栋．基于射频识别技术的门禁系统研究与设计［D］．中南大学，2005．1．

［2］ 董蕴华，郑先锋．基于RFID技术的无线门禁系统的设计［J］．通信技术，2009(4):105-107．

［3］ 游战清，李苏剑，张益强，等．无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］．北京:电子工业出版社，2004．

［4］ 李刚，曾锐利，林凌．基于射频识别技术的智能交通系统［J］．信息与控制，2006，35(5):55-59．

［5］ 刘彤．无线家庭网络电磁环境及关键射频技术的研究［D］．南京:东南大学，2006．93-121．