辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

沈 妍，李青君，孟慶昊，蘇 波

（首都師范大學(xué) 物理系，北京100048）

目前，許多辦公區(qū)域?qū)﹂T禁系統(tǒng)的需求越來越多，用戶對(duì)這類產(chǎn)品用量的增加，充分體現(xiàn)了人們對(duì)射頻識(shí)別產(chǎn)品的認(rèn)同，并逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。就目前來說較為有效、安全方便的身份認(rèn)證技術(shù)就是射頻識(shí)別技術(shù)，門禁系統(tǒng)通過采用RFID 刷卡、射頻識(shí)別來進(jìn)行身份驗(yàn)證，當(dāng)今世界上RFID 卡主流產(chǎn)品普遍應(yīng)用飛利浦（Philips）公司的Mifare 技術(shù)，RFID 的整套系統(tǒng)包含3 個(gè)部分，分別是RFID 電子標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件[1]。已經(jīng)被認(rèn)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443 Type A 標(biāo)準(zhǔn)。歐洲及其他發(fā)展中國(guó)家的一些RFID 卡、讀卡器制造商都以Mifare 技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)[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(biāo)簽取代了傳統(tǒng)的機(jī)械門鎖的RFID 門禁系統(tǒng)，采用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行自動(dòng)化管理。射頻識(shí)別門禁系統(tǒng)的用戶不用再經(jīng)過繁瑣的過程開門。此外，因本次設(shè)計(jì)是辦公區(qū)域的門禁設(shè)計(jì)，門控流量較少，且出入人員相對(duì)單一，射頻門禁設(shè)備是個(gè)很好的選擇。

鍵盤、指紋、人臉、RFID、虹膜等是經(jīng)常采用的單項(xiàng)門禁識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別方式。每一種識(shí)別方式都有其不可比擬的特征和優(yōu)勢(shì)，本次設(shè)計(jì)使用的是RFID 卡的認(rèn)證方式，會(huì)事先將辦公區(qū)域的人員信息錄入到存儲(chǔ)器中，這種識(shí)別方式的門禁系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、識(shí)別速度快、成本較低、用戶范圍廣等優(yōu)勢(shì)[3]。辦公區(qū)域的門禁系統(tǒng)主要針對(duì)進(jìn)出大樓進(jìn)行管理與控制，對(duì)于傳統(tǒng)的利用人來管理控制的門禁來說，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這種低效率低回報(bào)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(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通過刷卡來控制人員的進(jìn)出，防止外來人員的進(jìn)出，變得十分必要。

本次設(shè)計(jì)是將數(shù)據(jù)線連接電腦，電腦供電，打開電腦后，電源開始供電，上位機(jī)運(yùn)行，下位機(jī)將收到讀卡命令，在讀卡范圍內(nèi)若讀到RFID 卡，則卡的序列號(hào)會(huì)被自動(dòng)讀取，并傳輸給上位機(jī)，并判斷卡是否為有效卡，若為有效卡，Arduino 會(huì)控制舵機(jī)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)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(bào)警，并顯示非法進(jìn)入。

近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸受到廣泛的關(guān)注，不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及各個(gè)范圍，而在這其中涉及范圍最廣的是射頻識(shí)別技術(shù)，應(yīng)用也較為廣泛，利用無線電訊號(hào)方式的RFID 射頻識(shí)別技術(shù)是識(shí)別RFID 標(biāo)簽等目標(biāo)并且物理接觸不需要被建立。利用RFID 技術(shù)構(gòu)建的門禁管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人化管理，避免人為因素的影響，使得系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的門禁管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)采用Arduino UNO 開發(fā)板作為硬件基礎(chǔ)燒錄代碼，使用通過IIC 轉(zhuǎn)接的顯示屏來顯示當(dāng)前用戶信息，能夠方便地顯示是否為當(dāng)前大樓人員，若為非法入侵，蜂鳴器會(huì)響應(yīng)，十分方便安全，適合辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)對(duì)于出入人員的管理控制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 硬件設(shè)計(jì)模塊

硬件模擬連接如圖1 所示，開發(fā)板上面連接了五個(gè)模塊，分別是舵機(jī)模塊、蜂鳴器模塊、LCD 顯示屏模塊、TTS 語音播報(bào)模塊、射頻識(shí)別模塊。在這五個(gè)模塊共同作用下，完成辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還具備報(bào)警功能。本文中的辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的硬件電路連接分為五個(gè)部分，分別是：Arduino UNO R3與MFRC522 射頻識(shí)別模塊的連接，Arduino UNO R3 與LCD1602 顯示模塊的連接，Arduino UNO R3 與舵機(jī)的連接，Arduino UNO R3 與蜂鳴器的連接，Arduino UNO R3 與TTS 語音播報(bào)模塊的連接。各個(gè)模塊通過杜邦線實(shí)現(xiàn)與Arduino UNO R3 開發(fā)板的連接。

圖1 硬件連接實(shí)物圖

1.2 軟件控制模塊

打開Arduino 軟件，用數(shù)據(jù)線與UNO 板相連，保證RXD 與TXD 端在燒錄代碼時(shí)不被占用，將代碼通過軟件燒錄進(jìn)開發(fā)板中，即可讓硬件開始工作。本文中使用Arduino IDE 平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)程序的編譯，程序調(diào)試完成后使用USB 數(shù)據(jù)線上傳到所使用的Arduino UNO R3 單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。

在對(duì)辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，MRFC522 射頻模塊、LCD1602 顯示模塊以及SG90 舵機(jī)等模塊的控制程序都直接寫入到Arduino UNO R3 單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。在本次設(shè)計(jì)中，主要的部分就是當(dāng)刷卡時(shí)，通過對(duì)MRFC522 射頻識(shí)別模塊的編程實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(tǒng)測(cè)試

1.3.1 硬件測(cè)試環(huán)境

本辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)涉及到的硬件部件有:

（1）IIC 轉(zhuǎn)接的LCD 顯示屏。

（2）Arduino UNO 控制板。

（3）MFRC522 射頻識(shí)別模塊、TTS 語音播報(bào)模塊、舵機(jī)、蜂鳴器等。

1.3.2 軟件測(cè)試環(huán)境

本次辦公區(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通過Ardunio IDE 進(jìn)行編譯完成后下載到指定模塊的控制板內(nèi)部，并且進(jìn)行調(diào)試使其正常工作。

測(cè)試過程如下：

RFID 卡信息：

卡1：99 12 96 5A

卡2：69 E1 91 5A

先用數(shù)據(jù)線將電腦端口與Arduino UNO R3 單片機(jī)連接起來，電腦進(jìn)行供電，代碼燒錄到Arduino UNO R3里后，進(jìn)行測(cè)試，分別刷有效卡與無效卡，打開串口監(jiān)視器，查看測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 RFID 卡讀取測(cè)試

2 結(jié)果與討論

結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為：卡1，有權(quán)限RFID 卡（卡號(hào)為99 12 96 5A）；卡2，無權(quán)限RFID 卡（卡號(hào)為69 E1 91 5A）。使用USB 數(shù)據(jù)線連接Arduino UNO R3 單片機(jī)與電腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的供電。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，LCD 顯示屏輸出系統(tǒng)使用引導(dǎo)語句“Welcome back”和“Swipe your card”，即系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，將RFID 卡1 放置在MFRC522 射頻識(shí)別模塊上時(shí)，綠色的LED 燈亮，TTS 語音播報(bào)模塊播報(bào)“刷卡成功”，控制模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，LCD 顯示屏顯示“Shenyan swipe card successfully”隨后舵機(jī)自動(dòng)復(fù)位, 如圖3 所示。將RFID 卡2放置在MFRC522 射頻識(shí)別模塊上時(shí)，紅色的LED 燈亮，TTS 語音播報(bào)模塊播報(bào)“刷卡失敗”，同時(shí)蜂鳴器進(jìn)行鳴叫報(bào)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(qū)域門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天格外重要，因?yàn)楝F(xiàn)在辦公大樓越來越多，且辦公大樓內(nèi)的資料也較為私密，每棟大樓都是獨(dú)立的一部分，員工進(jìn)入大樓前都需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，得到許可后方可進(jìn)入，門禁系統(tǒng)對(duì)辦公大樓的人員管理提供了極大方便。在帶來方便的同時(shí)，也減少了人力物力財(cái)力的浪費(fèi)，這就是科技發(fā)展帶給人的便利，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)如今發(fā)展迅速，物物相連已經(jīng)涉及到各個(gè)方面，射頻識(shí)別也因價(jià)格適中受到廣泛關(guān)注。