基于物联网技术的多功能门禁控制器设计

王 斌 龙 腾 江西服装学院大数据学院 南昌市 330201

0 引言

在高校中师生需要在多个场合进行活动，例如在实验室、宿舍、图书馆等，这些场所均需要保持一定的安全性，避免闲杂无关人员随便出入，为了解决该问题，目前较好的办法就是引入智能门禁管理系统，通过该系统可实现符合条件的人员正常出入，不符合条件的人员禁止出入，进而实现对相应场所在无人值守的情况下进行安全、有序、高效管理［1］。

通过对这些场所的进出人员情况进行调研和统计分析得出结论，一般主要分为3种人员，第一种是学生和教师，是进入这些场合的主要人员，可通过校园一卡通刷卡进出上述场所；第二种是临时人员，可通过输入授权临时密码进出上述场所；第三种是管理人员，可通过指纹识别方式进出上述场所。当然也可根据需要为相关人员开通两种及以上的解锁方式，以更加灵活的方式来管理相关场所的安全。此外，随着物联网相关技术的快速发展，RFID相关模块、指纹识别模块、核心控制单片机等硬件设备的价格也越来越亲民，相关技术也日益成熟。因此，根据上述分析情况设计开发出一种多功能门禁控制系统具有很强的可行性和必要性［2］。

1 系统总体功能设计

本设计要求在系统上电之后可实现三种解锁功能：

（1）通过矩阵键盘按键输入当前门禁密码，且可以利用键盘来实现管理门禁密码［3］；

（2）当RFID卡进入读写模块的感应区域内，读写器即可自动读取卡号，单片机根据卡号信息对卡的合法性进行判断［4-6］，若该卡合法注册，系统会解锁门禁并在液晶屏上显示卡号，若该卡未注册，则无法解锁；

（3）用户将已录入指纹信息的手指放到指纹采集头上即可实现指纹解锁［3］。

此外，当用户解锁失败次数达三次便会触发蜂鸣器报警以警示用户的使用，同时键盘被锁。系统总体功能如图1所示。

图1 系统总体功能图

2 系统硬件电路设计

本系统硬件以单片机为主控核心，整体上包含六大模块，分别是单片机最小系统、按键模块、指纹识别模块、RFID识别模块、存储模块和液晶显示模块［7］，其整体硬件框图如图2所示。

图2 门禁系统硬件框图

2.1 单片机最小系统电路设计

最小系统电路由单片机、电源电路、复位电路和时钟电路4部分组成电［1］，其中单片机选取STC89C52RC型，电源电压为5V，复位电路采用上拉电容下拉电阻的上电复位，连接单片机的第9管脚，时钟电路中选取晶振频率为11.0592MHz，连接单片机的第18和19管脚并串联30pF电容进行滤波以提高稳定性，具体电路如图3所示。

图3 单片机最小系统电路

2.2 液晶显示电路设计

为了便于设置和显示密码、提示信息等，采用液晶显示模块LCD12864进行显示和提示。通过单片机控制LCD12864显示十分方便，其7～14数据管脚直接连接单片机P0口，控制端RS、RW和EN分别接单片P2.6、P2.7和P2.8口，数据通过P0口以8位并行方式传递给显示模块，具体电路如图4所示。

图4 单片机最小系统电路

2.3 指纹模块接口电路设计

本系统选取ATK-AS608模块进行指纹识别，该模块配备了串口通信接口，用户无须研究复杂的图像处理及指纹识别算法，只需通过简单的串口便可控制该模块，模块引脚具体说明如表1所示，具体接口电路如图5所示，其管脚1接3.3V电源，管脚2和管脚3分别连接单片P3.0和P3.1口，通过串行方式实现数据的收发，管脚4接地，管脚5与单片机P3.7口相连，默认高电平有效来控制感应信号的输出，管脚6是触摸感应电源输入端，供电电压为3.3V。

表1 ATK-AS608模块引脚说明图

图5 指纹模块接口电路

2.4 RFID模块接口电路设计

本系统选取MFRC522模块完成对RFID卡的读写操作［4］，其使用方便，成本低廉，适用于设备、读卡器的开发。该模块有八个引脚，其工作电压为3.3V，相关引脚具体说明如表2所示。

表2 MFRC522模块引脚说明图

该模块中，串行数据线引脚连接单片机的P2.1口，SCK时钟引脚连接单片机P2.2口，RC522接收MOSI引脚与单片机的P2.3口相连，RC522输出MISO引脚与单片机的P2.4口相连，中断请求输出引脚IRQ未使用，复位引脚RST与单片机的P2.5口相连，电源引脚接入3.3V直流电压。

2.5 存储器接口电路设计

为了实现断电用户数据不丢失，选取存储器AT24C02进行存储。AT24C02采用I2C总线方式进行通信，十分方便与单片机进行数字通信，其中串行时钟引脚SCL和串行数据/地址引脚SDA管脚分别与单片机的P3.4口和P3.5口连接实现串行通信，写保护引脚WP与单片机的P3.3口连接，器件地址选择引脚A0、A1、A2全部接高电平。

3 系统软件设计

系统软件设计主要围绕着RFID 卡的识别和管理、指纹识别和管理、密码识别和管理、液晶屏显示提示信息等4个方面来实现对应的功能。

系统首先完成各模块相关参数的初始化工作，初始化完成后LCD12864液晶屏将会显示欢迎使用多功能电子锁字样，接下来可根据实际需要选择对应功能按键，并完成相应操作：①当按下RFID卡管理键，即可完成增加RFID卡新用户信息、删除和修改已有RFID卡用户信息等操作，实现对RFID卡用户信息的有效管理。②当按下指纹管理键，就可以完成增加指纹新用户信息、删除和修改已有指纹用户信息等操作，实现对指纹用户信息的有效管理。③当按下密码管理键，就可以进入增加密码新用户信息、删除和修改已有密码用户信息等操作环节，实现对密码信息的有效管理。④当选择RFID卡识别模式时，当识别到已注册合法的RFID卡时即可顺利打开门禁，否则显示屏会提示无法识别该卡或该卡未注册等信息提醒用户。⑤当选择指纹识别模式时，当识别到已注册合法的指纹时即可顺利打开门禁，否则显示屏会提示该指纹未注册等信息提醒用户。⑥当选择密码识别模式时，当输入的密码是注册过的即可顺利打开门禁，否则显示屏会提示密码无效等信息提醒用户，同时当输入的密码连续错误3次就会进行蜂鸣器报警提示，此时需要过一段时间才能再次输入密码解锁门禁，整体上系统工作流程如图6所示。

图6 系统总体运行流程图

4 系统功能测试

4.1 管理员设置功能

系统设置了10个键分别对应0～9来输入数字密码，另外6 个按键其功能分别对应为：“A”键代表向上翻页，“B”键代表向下翻页，“C”键代表返回上一操作界面，“D”键代表管理员操作界面，“#”代表确认按键，“*”代表退格，通过这些按键便可以实现门禁密码的录入和删除、RFID卡的登记和注销、指纹的注册、注销以及清空等操作，最终可实现对进出门禁人员信息的安全有效的管理。

4.2 指纹识别功能

上电初始化完成后，首先需要将指纹信息录入系统，在录入过程中需要对指纹信息进行连续采集3次，全部符合要求即可正常录入系统，最后返回初始状态，此时只需将已录入指纹的手指放置在指纹采集头上，之后发出滴的一声并且指示灯亮起，即可实现门禁解锁，屏幕上会显示门已打开和用户编号。否则未注册用户通过此门禁时，LCD12648液晶屏幕上会提示指纹无效，门禁无法正常解锁。

4.3 RFID卡识别功能

上电初始化完成后，用户只需将校园一卡通（RFID卡）靠近MFRC522读写器感应区，屏幕将会显示门已打开和对应一卡通编号。当RFID卡未注册时，将其放置在感应区时，屏幕会显示信息错误和对应的卡号，门禁无法正常解锁。

4.4 密码识别功能

上电初始化完成后，即可通过矩阵键盘输入注册过的合法密码，单片机处理后即可发送指令控制继电器模块来解锁门禁，同时还会伴随着指示灯的亮起和继电器开锁的声响。当输入非法密码时显示屏会提示密码错误，门禁无法正常解锁。

4.5 测试结果

分别对系统的管理员设置功能、指纹识别功能、RFID卡识别功能、密码识别功能等4个主要方面的功能进行了模拟测试，管理员设置功能中的按键操作均能准确无误地实现对应功能，能够达到预期效果；指纹识别功能测试过程中发现有个别情况无法正确识别有效指纹，分析其原因发现，一般情况下是指纹未完全对正、指纹按压力度较轻、指纹出现了水质等污染等相关情况，因此，在进行指纹识别时只需要注意以上几点，避免出现这些情况就可以以较高的识别率通过指纹识别；RFID卡识别功能测试过程中发现，当一卡通偏离了读卡器或距离过远就无法正常读取，因此，在刷卡时避免出现上述情况即可快速高效地识别；密码识别功能测试过程整体比较顺利，未发现相关异常现象。综上所述，系统总体功能经测试完全能够达到预期效果。

5 结束语

在充分分析了高校相关公共场所实际需求的情况下，特别是高校实验室、图书馆、学生宿舍等场所对进出人员的安全性有较高的实际需求，并结合高校实际情况开发了一套多功能门禁控制器，该系统可实现密码识别、RFID卡识别和指纹识别三种不同的方式来解锁门禁。其中密码识别主要针对临时进出人员，同时可对密码有效时间进行设置；RFID卡识别主要针对师生，其充分利用师生手中的校园一卡通（RFID卡）实现刷卡进出，大大节约相关资源；指纹识别可主要针对相关场所的管理人员来进行使用。当然在具体实际使用过程中，也可根据实际需要授权相关人员使用多种解锁门禁方式，在更加高效有序地管理相关公共场所安全的同时，也在一定程度上实现了对上述公共场所进出人员进行了较好的分类管理。系统经实际测试，各项功能均能达到预期效果，其整体上具有较好的实际应用价值和研究意义。