办公区域门禁系统的设计与实现*

沈 妍，李青君，孟庆昊，苏 波

（首都师范大学 物理系，北京100048）

目前，许多办公区域对门禁系统的需求越来越多，用户对这类产品用量的增加，充分体现了人们对射频识别产品的认同，并逐步扩大其应用范围。就目前来说较为有效、安全方便的身份认证技术就是射频识别技术，门禁系统通过采用RFID 刷卡、射频识别来进行身份验证，当今世界上RFID 卡主流产品普遍应用飞利浦（Philips）公司的Mifare 技术，RFID 的整套系统包含3 个部分，分别是RFID 电子标签、读写器和计算机及应用软件[1]。已经被认定为国际标准ISO/IEC14443 Type A 标准。欧洲及其他发展中国家的一些RFID 卡、读卡器制造商都以Mifare 技术为标准进行设计生产[2]。用RFID 卡来代替人工又或者是代替钥匙，更加方便操作。

采用电子标签取代了传统的机械门锁的RFID 门禁系统，采用系统的数据处理单元进行自动化管理。射频识别门禁系统的用户不用再经过繁琐的过程开门。此外，因本次设计是办公区域的门禁设计，门控流量较少，且出入人员相对单一，射频门禁设备是个很好的选择。

键盘、指纹、人脸、RFID、虹膜等是经常采用的单项门禁识别系统的识别方式。每一种识别方式都有其不可比拟的特征和优势，本次设计使用的是RFID 卡的认证方式，会事先将办公区域的人员信息录入到存储器中，这种识别方式的门禁系统具有操作简便、识别速度快、成本较低、用户范围广等优势[3]。办公区域的门禁系统主要针对进出大楼进行管理与控制，对于传统的利用人来管理控制的门禁来说，随着经济的快速发展，这种低效率低回报的方式不再适用，可靠性也没有那么高，所以通过此次引入射频识别技术，实现通过刷卡来控制人员的进出，防止外来人员的进出，变得十分必要。

本次设计是将数据线连接电脑，电脑供电，打开电脑后，电源开始供电，上位机运行，下位机将收到读卡命令，在读卡范围内若读到RFID 卡，则卡的序列号会被自动读取，并传输给上位机，并判断卡是否为有效卡，若为有效卡，Arduino 会控制舵机模块转动从而开门，并在LCD显示屏上显示信息，若为非法的卡，则蜂鸣器报警，并显示非法进入。

近些年物联网技术逐渐受到广泛的关注，不断发展的物联网技术涉及各个范围，而在这其中涉及范围最广的是射频识别技术，应用也较为广泛，利用无线电讯号方式的RFID 射频识别技术是识别RFID 标签等目标并且物理接触不需要被建立。利用RFID 技术构建的门禁管理系统可以实现无人化管理，避免人为因素的影响，使得系统具有良好的可靠性和安全性。本文所介绍的就是这样一种基于RFID 物联网技术的门禁管理系统的设计。

本系统采用Arduino UNO 开发板作为硬件基础烧录代码，使用通过IIC 转接的显示屏来显示当前用户信息，能够方便地显示是否为当前大楼人员，若为非法入侵，蜂鸣器会响应，十分方便安全，适合办公区域门禁系统对于出入人员的管理控制。

1 实验部分

1.1 硬件设计模块

硬件模拟连接如图1 所示，开发板上面连接了五个模块，分别是舵机模块、蜂鸣器模块、LCD 显示屏模块、TTS 语音播报模块、射频识别模块。在这五个模块共同作用下，完成办公区域门禁系统的设计与实现，同时还具备报警功能。本文中的办公区域门禁系统的设计与实现的硬件电路连接分为五个部分，分别是：Arduino UNO R3与MFRC522 射频识别模块的连接，Arduino UNO R3 与LCD1602 显示模块的连接，Arduino UNO R3 与舵机的连接，Arduino UNO R3 与蜂鸣器的连接，Arduino UNO R3 与TTS 语音播报模块的连接。各个模块通过杜邦线实现与Arduino UNO R3 开发板的连接。

图1 硬件连接实物图

1.2 软件控制模块

打开Arduino 软件，用数据线与UNO 板相连，保证RXD 与TXD 端在烧录代码时不被占用，将代码通过软件烧录进开发板中，即可让硬件开始工作。本文中使用Arduino IDE 平台进行系统程序的编译，程序调试完成后使用USB 数据线上传到所使用的Arduino UNO R3 单片机的存储器中。

在对办公区域门禁系统的设计中，MRFC522 射频模块、LCD1602 显示模块以及SG90 舵机等模块的控制程序都直接写入到Arduino UNO R3 单片机的存储器中。在本次设计中，主要的部分就是当刷卡时，通过对MRFC522 射频识别模块的编程实现对 RFID 卡一系列操作，其中主要包括了卡片读写、卡片休眠和防冲突等操作。

1.3 系统测试

1.3.1 硬件测试环境

本办公区域门禁系统的设计与实现涉及到的硬件部件有:

（1）IIC 转接的LCD 显示屏。

（2）Arduino UNO 控制板。

（3）MFRC522 射频识别模块、TTS 语音播报模块、舵机、蜂鸣器等。

1.3.2 软件测试环境

本次办公区域门禁系统的设计与实现通过Ardunio IDE 进行编译完成后下载到指定模块的控制板内部，并且进行调试使其正常工作。

测试过程如下：

RFID 卡信息：

卡1：99 12 96 5A

卡2：69 E1 91 5A

先用数据线将电脑端口与Arduino UNO R3 单片机连接起来，电脑进行供电，代码烧录到Arduino UNO R3里后，进行测试，分别刷有效卡与无效卡，打开串口监视器，查看测试结果如图2 所示。

图2 RFID 卡读取测试

2 结果与讨论

结果测试数据设计为：卡1，有权限RFID 卡（卡号为99 12 96 5A）；卡2，无权限RFID 卡（卡号为69 E1 91 5A）。使用USB 数据线连接Arduino UNO R3 单片机与电脑，实现对系统的供电。系统自动运行，LCD 显示屏输出系统使用引导语句“Welcome back”和“Swipe your card”，即系统进入待机状态，将RFID 卡1 放置在MFRC522 射频识别模块上时，绿色的LED 灯亮，TTS 语音播报模块播报“刷卡成功”，控制模块控制舵机转动180°，LCD 显示屏显示“Shenyan swipe card successfully”随后舵机自动复位, 如图3 所示。将RFID 卡2放置在MFRC522 射频识别模块上时，红色的LED 灯亮，TTS 语音播报模块播报“刷卡失败”，同时蜂鸣器进行鸣叫报警，LCD 显示屏显示“Unknown card”，如图4 所示。

图3 刷有效卡卡1

图4 刷无效卡卡2

办公区域门禁系统的设计与实现，对于经济快速发展的今天格外重要，因为现在办公大楼越来越多，且办公大楼内的资料也较为私密，每栋大楼都是独立的一部分，员工进入大楼前都需要进行身份验证，得到许可后方可进入，门禁系统对办公大楼的人员管理提供了极大方便。在带来方便的同时，也减少了人力物力财力的浪费，这就是科技发展带给人的便利，物联网技术现如今发展迅速，物物相连已经涉及到各个方面，射频识别也因价格适中受到广泛关注。