基于STM32 單片機的二維碼門禁系統(tǒng)

鄭俊杰，李申，肖迪創(chuàng)，李未，賈巍（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著我國社會信息科學(xué)技術(shù)、信息安全技術(shù)和我國社會主義市場經(jīng)濟的快速發(fā)展進步,信息安全技術(shù)已經(jīng)逐漸廣泛滲透應(yīng)用到了現(xiàn)代人們社會日常生活的每一個領(lǐng)域,住宅小區(qū)的安全防護系統(tǒng)也逐漸走向智能化。同時,隨著現(xiàn)代社會人們的財產(chǎn)安全及其防盜意識不斷增強,對高層住宅樓房的安全、室內(nèi)外門禁系統(tǒng)設(shè)計的人性化技術(shù)水平要求也愈發(fā)嚴格。原來的機械門鎖采用了機械閉鎖式,金屬鑰匙的耦合性很強,一把鑰匙打開多扇門時有發(fā)生,安全性大大降低。而之后開發(fā)的IC 卡門禁系統(tǒng)也容易出現(xiàn)門禁卡丟失、損壞的問題。本文所要介紹的設(shè)計系統(tǒng)-基于單片機的二維碼門禁系統(tǒng)[2]則很好的規(guī)避了以上的諸多問題。

1 總體設(shè)計原理

圖1 智能門禁系統(tǒng)硬件框圖

本設(shè)計基于單片機的二維碼門禁系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)微光互聯(lián) QT960 掃碼器；(2)主控 STM32F407單片機最小系統(tǒng)；(3)屏幕顯示部分；(4)電機驅(qū)動 L298控制開關(guān)門電機及其他外設(shè)設(shè)備。智能門禁系統(tǒng)以STM32F407 單片機為控制核心，當用戶需要打開門禁時，出示二維碼通過掃碼器進行掃描，掃描得到的信息通過單片機進行判斷是否為已錄入信息用戶，若是，則自動開鎖打開門禁[3]。同時系統(tǒng)還具有語音播報的功能，如當有人靠近掃碼器時提示：“請出示您的二維碼”。若二維碼已錄入，則播報“歡迎光臨”，否則提示：“未正確掃描二維碼，請重新掃描”。最后，系統(tǒng)還配備了應(yīng)急處理部件，當主控單片機故障或線路某部分損壞而無法實現(xiàn)自動開門時，門衛(wèi)人員通過應(yīng)急按鈕，可實現(xiàn)手動開門。

2 系統(tǒng)組成電路設(shè)計

■2.1 二維碼掃碼器 QT960

本系統(tǒng)采用硬件解碼的方式實現(xiàn)二維碼的解碼工作。使用模塊為北京微光互聯(lián)公司生產(chǎn)的二維碼掃碼器 QT960。該模塊在設(shè)計上采用了內(nèi)嵌式向下凹陷的密封設(shè)計，并配置了背景燈、蜂鳴器等期間，考慮了掃碼時的光照影響及掃碼完成后的音源提示。同時該模塊在數(shù)據(jù)輸出方式上具有多種選擇，包括串口通信常用的 232 輸出、TTL 輸出等。QT960掃碼設(shè)備有一下幾個方面的優(yōu)點：(1)支持快速掃碼；(2)體積小，厚度僅為 23.8mm；(3)識讀速度快，精度高，識讀速度最快可達 0.1 秒；(4)操作簡單，搭配人性化使用工具，使設(shè)備調(diào)試更便捷。該模塊還支持進行二次開發(fā)，對于本系統(tǒng)來說是一個很好的選擇。該模塊的掃描速度為 50ms 每次，掃描距離為 3～10cm，同時可以進行連續(xù)掃描操作。支持屏幕或者紙張打印二維碼的掃描。對于本系統(tǒng)來說，掃描二維碼之后解碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸，之后單片機進行信息處理。

■2.2 STM32F407 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用 STM32F407 單片機作為主控部件，實現(xiàn)對二維碼掃碼器讀取數(shù)據(jù)的分析處理，然后完成對電機等外設(shè)的控制輸出。STM32F4 是由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計開發(fā)的高性能控制器件，首先它在配置上十分齊全，數(shù)據(jù)運算的速度跟處理能力也是優(yōu)于 51 等系列的單片機。同時它具備極高的集成度，其主頻是168MHz、具有 1024Kflash 存儲器，有 3 個 ADC 共 24 通道，擁有 IIC、TIMER 等眾多外部設(shè)備。STM32F407 單片機最小系統(tǒng)板包含電源電路、復(fù)位按鍵、串口下載等模塊，同時將單片機的所有 IO 口通過排針的方式全部引出，便于在做嵌入式開發(fā)時，其他外設(shè)設(shè)備的連接。

圖2 STM32F407 最小系統(tǒng)板電路圖

圖3 電機直流驅(qū)動模塊電路圖

■2.3 電機驅(qū)動電路模塊

在門禁系統(tǒng)的最后實施階段，最重要的就是對開關(guān)門電機的控制。系統(tǒng)通過L298N 驅(qū)動模塊實現(xiàn)對門控電機進行控制,實現(xiàn)門禁系統(tǒng)的最后也是最關(guān)鍵一步：打開、關(guān)閉門禁。該驅(qū)動模塊供電電壓范圍為+5～35V，最大工作功率為20W，可以實現(xiàn)同時對兩路直流電機的驅(qū)動控制。使能端口 ENA 為高電平時處于有效控制狀態(tài)，低電平時無控制信號輸出。

本系統(tǒng)通過 STM32 單片機輸出 PWM 波，控制該電機驅(qū)動實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制。在進行電機調(diào)速時根據(jù)電機工作狀態(tài)表去設(shè)置 IN1 和 IN2，確定電機的轉(zhuǎn)動方向。然后單片機 I/O 口輸出 PWM 波對驅(qū)動模塊使能端進行調(diào)速控制。根據(jù) L298N 直流驅(qū)動模塊電機工作狀態(tài)表可知，當使能信號為高電平時，電機處于無控制停止狀態(tài)；當使能信號為高電平，并且輸入控制端同為低電平或同為高電平時，電機處于制動狀態(tài)，阻止電機轉(zhuǎn)動。

■2.4 檢測提醒電路模塊

檢測提醒電路的功能是實現(xiàn)對來訪人員的位置檢測。并將位置信息傳輸給單片機，控制播報相應(yīng)的語音信息。當有人員來訪，靠近門禁至 50cm 時，提醒來訪人員“請出示二維碼”。同時也可實現(xiàn)問候語功能，如在提醒出示二維碼之前先語音播報“歡迎光臨”。本系統(tǒng)對于到訪人員的位置檢測采用 HC-SRF05 超聲波測距模塊，可以實現(xiàn)對測距精度 3mm 的測量，同時對于距離測量范圍可以達到 2cm～400cm 的無接觸式測量。模塊包括一個超聲波發(fā)射頭與一個超聲波接收頭及外圍的控制電路。同時該模塊通過單片機 I/O 口施密特觸發(fā)方式，輸出高電平，實現(xiàn)發(fā)送 40kHz 方波信號。模塊可以自動檢測是否有超聲波信號返回，當檢測到有返回超聲波信號時，單片機控制 I/O 口輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間 t。則測試距離 d 為：

■2.5 語音播報電路模塊

本部分實現(xiàn)的功能是對訪客進行語音播報提醒功能，本模塊支持任意中文、英文字母、阿拉伯數(shù)字的文本合成，實現(xiàn)“歡迎光臨”、“請出示二維碼”等語音提醒功能。本系統(tǒng)通過STM32 單片機的串口進行語音播報控制。單片機的串口 TX、RX 腳分別與模塊的 RX、TX 腳連接，通過 UART 串口向模塊發(fā)送中文GBK 碼、英文或數(shù)字是 ASCII 碼，進行語音播報。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32 單片機作為控制核心，實現(xiàn)有訪客到訪時語音播報，然后對二維碼識別檢驗，判斷是否打開門禁系統(tǒng)。程序主函數(shù)部分采用標志位編程的方法實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯判斷。首先寫入 flag 標志位置 1；此時只進行超聲波測距功能的實現(xiàn)，當有訪客到來檢測離門禁系統(tǒng)距離小于 50cm 時，播報語音“歡迎光臨”同時標志位置 2；此時跳出超聲波測距循環(huán)，進行二維碼掃描等待，等待時間為10s，若 10s 后無動作則標志位置 1；重新進入超聲波測距循環(huán)，若出示二維碼且二維碼正確則標志位置 3；實現(xiàn)打開門禁，此時標志位置 4；進行超聲波檢測，當檢測距離超過 100cm 時，標志位置 5；持續(xù) 5s 進行超聲波測距以檢測訪客是否已全部通過門禁系統(tǒng)，若 5s 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)均大于 100cm，則標志位置 6；實現(xiàn)關(guān)閉門禁，同時標志位置 1；若 5s 內(nèi)檢測有到有數(shù)據(jù)小于 100 出門則標志位置 5；若出示二維碼錯誤則標志位置 7；語音提示“請重新出示有效二維碼”同時標志位置 2；進行 10s 二維碼待檢測狀態(tài)。

圖4 超聲波測距模塊電路圖

圖5 語音播報電路圖

4 總結(jié)

圖6 系統(tǒng)主程序框圖

本文通過對二維碼生成[4]、數(shù)據(jù)存儲、解碼理論的相關(guān)研究結(jié)合門禁系統(tǒng)，提出了基于二維碼對來訪人員身份識別的智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)相較于其他的門禁系統(tǒng)成本較低。不需要實物開門物品，拿出手機出示二維碼即可當做打開門禁的鑰匙，對用戶來說使用十分方便。同時也可以將來訪人員的到訪時間、個人姓名身份信息等可以存儲于二維碼之中，進而實現(xiàn)對來訪用戶的信息存儲。本智能門禁系統(tǒng)的識別不易受外界環(huán)境的干擾，應(yīng)用前景廣闊，在未來的智能家居、小區(qū)安防等均可以有良好應(yīng)用。