基于Arduino开发平台的自习室门禁系统设计
袁贵锋 胡雄强 朱亚兵 任康 薛飞勇 赵冯涛
摘 要：为了能够给在校大学生提供可靠而且安全的校园氛围，需要设计一款适合自习室的安全管理的门禁系统。本系统是以Arduino开发板为基础，通过利用IC卡进行刷卡，射频识别读取IC卡信息，将信息传送到主机，IC卡适合舵机驱动便可启动，最后通过LCD显示器来查看进出信息。通过实验论证，必须使用限定的IC卡方可开启舵机驱动，该系统使用起来不仅方便而且还安全，适用于各个安全门禁领域。
关键词：Arduino；射频识别；IC卡；舵机驱动
中圖分类号：TP273 文献标识码：A
1 引言（Introduction）
门禁系统，在智能建筑领域，意为Access Control System，简称ACS。门禁系统又被称为出入口管理控制系统，是安全防范系统的重要组成部分。门禁系统是将自动识别技术和安全管理措施融为一体，涉及电子、机械、生物识别、光学、计算机、控制、通信等技术[1]。主要解决出入口安全防范管理的问题，实现对人、物的出入控制和管理功能。
目前随着信息时代的发展，大量的智能化设备已经在我们周围随处可见。针对大部分高校的自习室而言，为了能够有效地获取自习室的利用情况，例如每天的人流量、进出的高峰期，以及确认这些人的身份信息等。于此同时自习室的开放，为学生创造一个良好的学习氛围是相当重要的。为了避免以上事件的发生，以及外来人员的进入，引进门禁系统是相当必要的[2]。自习室的门禁系统的正常运行对自习室的日常管理起着至关的作用，这样一来不仅给管理人员带来了方便同时也给学生带来了好处。
2 自习室门禁系统的组成（The composition of the
self-study room access control system）
基于Arduino开发板[3]的自习室门禁系统采用设备主要有Arduino UNO R3控制器、LCD1602显示模块、非接触式IC读卡器、舵机驱动模块、RFID-RC522射频识别模块，以及电源模块组成。系统功能模块如图1所示。
（1）电源模块
主要用220V的日常电压转化为开发板可以用的5V电压，方便简洁。
（2）显示模块
该模块主要选择LCD1602的显示屏，它用于接收主控机所发送的数据，显示对应的IC卡的相关信息。
（3）射频模块
该模块主要采用是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片MFRC522，次发送模块利用调制和调节原理，将他们完全集成到非接触式通信放到和协议中[4]。该模块支持ISO14443A协议，当IC卡进入到读卡器的范围内便会进行读取预录入的进行比较。
（4）IC卡模块
一张具有权限的IC卡，必须要具有开启的舵机权限，否则无法进入。
（5）舵机驱动模块
舵机可以实时控制角度，由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成具有闭环控制系统。工作过程是由控制器发出PWM（脉冲宽度调制）信号送给内部电路产生一个偏置电压，再驱动无核心马达转动，透过减速齿轮带动电位器移动，使电影差为零时，电机停转，同时由位置检测器（电位器）返回位置信号判断是否已经到达设定位置。
3 硬件系统设计（Hardware system design）
基于Arduino[4]的自习室门禁系统主要包括LCD1602电路、RFID-RC522射频识别电路、Arduino-UNOR3主模板、舵机驱动电路和IC卡刷卡环节。
3.1 系统使用的元器件及连线
3.1.1 LCD1602显示器连接
LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×2即32个字符实物图如图2所示。主要用来显示一些相关信息，图3为其电路图。
显示屏LCD1602与Arduino控制器的各个引脚的连线如图4所示。
3.1.2 RFID-RC522连接
射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[5，6]。
本模块采用MF RC522芯片，模块与Arduino通讯方式为SPI（同步串行外设接口总线）通信，Arduino工作在主模式下，RC522工作在从模式下，模块与Arduino控制板连接方式如图5所示。
3.1.3 Arduino-UNOR3主模板
Arduino-UNO-R3是一款易用型开源控制器，处理器核心是ATmega328，具有14路数字输入/输出口，其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入，16MHz晶体振荡器，USB口，电源插座，ICSP header和复位按钮[7，8]。
3.1.4 SG90舵机
在门禁系统中，舵机担当着重要的作用[9]。通过Arduino控制sg90舵机转动，舵机红色是正极，棕色是负极，黄色为信号。SG90舵机引脚连线如表1所示。
3.2 系统硬件连接电路图
主要将Arduino-UNO-R3主模板作为控制模块，通过利用IC卡接触RFID-RC522射频识别模块，以舵机驱动带动这些模块，LCD1602作为显示，最终显示IC卡是否识别成功，整体电路连接图如图6所示。
4 软件系统设计（Software system design）
根据硬件设计可知控制元件比较多，因此对应的程序代码也比较多，为了能够让程序合理的去控制各个元件的工作，要采用函数库区进行封装，使其有模块化[10]。利用C语言去实现控制功能，按照相应模块将程序存入其中，不仅简化了各元件的存储效果，而且还大大降低了成本，将这些C语言程序全部存储于Arduino存储器中，软件流程图如图7所示。
本次设计的是在Windows7系统中，利用Arduino相关的软件ArduinoIDE1.8.3进行调试过程。本软件主要提供void setup（）实现每个模块的初始化函数，void loop（）实现与接口相连的函数。该软件的运行界面如图8所示。
初始化模块：
Serial.begin（9600）；//初始化与PC的串行通信
while （！Serial）；//判断串口是否打开
SPI.begin（）；//打串口开
mfrc522.PCD_Init（）；//初始化FRC522
for（byte i=0； i<6；i++） {
key.keyByte[i]=0xFF；//准备（used as both the key）钥匙
lcd.init（）； //初始化LCD
lcd.backlight（）； //设置LCD背景等亮
myservo.attach（6）；//设置舵机控制针脚
//通过串口打印输出相关信息
Serial.println（F（"Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate read and write."））；
Serial.print（F（"Using key （for A and B）："））；
dump_byte_array（key.keyByte，MFRC522：：MF_KEY_SIZE）；
Serial.println（F（"BEWARE： Data will be written to the PICC，in sector #1"））；}
功能模塊：
lcd.setCursor（0，0）；//设置光标位置
if （！ mfrc522.PICC_IsNewCardPresent（））return；//寻找新卡
if （！ mfrc522.PICC_ReadCardSerial（））return；//选择其中一张卡
//显示PICC的详细信息
Serial.print（F（"Card UID："））；
//控制舵机0°到180°顺时针和180°到0°逆时针旋转，每次延时15ms
for（pos=0；pos<180；pos=pos+1） {myservo.write（pos）；delay（15）；}
5 软硬件测试（Soft and hardware test）
将所有模块连接好后用USB数据线与PC机相连起来，打开ArduinoIDE1.8.3这个软件，选择相适应的型号代码，进行对应的修改，将需要的代码进行融合，利用如图8所示的进行编译运行，控制舵机和识别IC卡功能，操作过程中的运行结果如图9所示。
6 结论（Conclusion）
为了解决大学生自习教室的出入安全问题，利用Arduino开发板设计的门禁系统，采用Arduino-UNOR3主模板作为该系统的核心板，利用RFID识别技术进行学生的相关信息识别，从而得到有效解决学生的安全管理。该系统还可以应用于其他方面的行业，比如家里、图书馆等场所，同时可以为“智慧校园”提供门禁数据信息。
参考文献（References）
[1] 俞萍，揭志华，汤榕文，等.“智慧校园”门禁系统的设计[J].广东培正学院论丛，2015（4）：91-94.
[2] 韩改宁，韩丽娜，张清文.基于Arduino开发平台的学生宿舍门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（9）：64-68.
[3] 苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树莓派的物联网开放平台[J].电子科技，2015，28（9）：35-37.
[4] 章登科，韩国程，俞朝晖，等.RFID技术及其在智能包装中的应用[J].包装工程， 2018（1）：6-11.
[5] 钱琨.基于RFID和工业串口屏的驾校车载计费系统的设计[D].武汉工程大学，2017.
[6] 苏赐民，乐政通，赵志伟，等.智能家居门禁系统的设计[J].电脑知识与技术，2017（35）：251-252.
[7] JohnBoxall.动手玩转Arduino[M].北京：人民邮电出版社，2014.
[8] 付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程， 2015（10）：76-79.
[9] 汪婉君.基于Android/Arduino平台的智能蓝牙引路系统的设计与实现[D].西安电子科技大学，2014.
[10] 禹谢华，邓林茂，张晓云，等.基于Android与Arduino智能家居控制系统的设计与实现[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017，48（4）：532-536.
作者简介：
袁贵锋（1995-），男，本科生.研究领域：物联网工程.
胡雄强（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
朱亚兵（1979-），男，本科，工程师.研究领域：计算机应用.
任 康（1994-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
薛飞勇（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
赵冯涛（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
摘 要：为了能够给在校大学生提供可靠而且安全的校园氛围，需要设计一款适合自习室的安全管理的门禁系统。本系统是以Arduino开发板为基础，通过利用IC卡进行刷卡，射频识别读取IC卡信息，将信息传送到主机，IC卡适合舵机驱动便可启动，最后通过LCD显示器来查看进出信息。通过实验论证，必须使用限定的IC卡方可开启舵机驱动，该系统使用起来不仅方便而且还安全，适用于各个安全门禁领域。
关键词：Arduino；射频识别；IC卡；舵机驱动
中圖分类号：TP273 文献标识码：A
1 引言（Introduction）
门禁系统，在智能建筑领域，意为Access Control System，简称ACS。门禁系统又被称为出入口管理控制系统，是安全防范系统的重要组成部分。门禁系统是将自动识别技术和安全管理措施融为一体，涉及电子、机械、生物识别、光学、计算机、控制、通信等技术[1]。主要解决出入口安全防范管理的问题，实现对人、物的出入控制和管理功能。
目前随着信息时代的发展，大量的智能化设备已经在我们周围随处可见。针对大部分高校的自习室而言，为了能够有效地获取自习室的利用情况，例如每天的人流量、进出的高峰期，以及确认这些人的身份信息等。于此同时自习室的开放，为学生创造一个良好的学习氛围是相当重要的。为了避免以上事件的发生，以及外来人员的进入，引进门禁系统是相当必要的[2]。自习室的门禁系统的正常运行对自习室的日常管理起着至关的作用，这样一来不仅给管理人员带来了方便同时也给学生带来了好处。
2 自习室门禁系统的组成（The composition of the
self-study room access control system）
基于Arduino开发板[3]的自习室门禁系统采用设备主要有Arduino UNO R3控制器、LCD1602显示模块、非接触式IC读卡器、舵机驱动模块、RFID-RC522射频识别模块，以及电源模块组成。系统功能模块如图1所示。
（1）电源模块
主要用220V的日常电压转化为开发板可以用的5V电压，方便简洁。
（2）显示模块
该模块主要选择LCD1602的显示屏，它用于接收主控机所发送的数据，显示对应的IC卡的相关信息。
（3）射频模块
该模块主要采用是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片MFRC522，次发送模块利用调制和调节原理，将他们完全集成到非接触式通信放到和协议中[4]。该模块支持ISO14443A协议，当IC卡进入到读卡器的范围内便会进行读取预录入的进行比较。
（4）IC卡模块
一张具有权限的IC卡，必须要具有开启的舵机权限，否则无法进入。
（5）舵机驱动模块
舵机可以实时控制角度，由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成具有闭环控制系统。工作过程是由控制器发出PWM（脉冲宽度调制）信号送给内部电路产生一个偏置电压，再驱动无核心马达转动，透过减速齿轮带动电位器移动，使电影差为零时，电机停转，同时由位置检测器（电位器）返回位置信号判断是否已经到达设定位置。
3 硬件系统设计（Hardware system design）
基于Arduino[4]的自习室门禁系统主要包括LCD1602电路、RFID-RC522射频识别电路、Arduino-UNOR3主模板、舵机驱动电路和IC卡刷卡环节。
3.1 系统使用的元器件及连线
3.1.1 LCD1602显示器连接
LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×2即32个字符实物图如图2所示。主要用来显示一些相关信息，图3为其电路图。
显示屏LCD1602与Arduino控制器的各个引脚的连线如图4所示。
3.1.2 RFID-RC522连接
射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[5，6]。
本模块采用MF RC522芯片，模块与Arduino通讯方式为SPI（同步串行外设接口总线）通信，Arduino工作在主模式下，RC522工作在从模式下，模块与Arduino控制板连接方式如图5所示。
3.1.3 Arduino-UNOR3主模板
Arduino-UNO-R3是一款易用型开源控制器，处理器核心是ATmega328，具有14路数字输入/输出口，其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入，16MHz晶体振荡器，USB口，电源插座，ICSP header和复位按钮[7，8]。
3.1.4 SG90舵机
在门禁系统中，舵机担当着重要的作用[9]。通过Arduino控制sg90舵机转动，舵机红色是正极，棕色是负极，黄色为信号。SG90舵机引脚连线如表1所示。
3.2 系统硬件连接电路图
主要将Arduino-UNO-R3主模板作为控制模块，通过利用IC卡接触RFID-RC522射频识别模块，以舵机驱动带动这些模块，LCD1602作为显示，最终显示IC卡是否识别成功，整体电路连接图如图6所示。
4 软件系统设计（Software system design）
根据硬件设计可知控制元件比较多，因此对应的程序代码也比较多，为了能够让程序合理的去控制各个元件的工作，要采用函数库区进行封装，使其有模块化[10]。利用C语言去实现控制功能，按照相应模块将程序存入其中，不仅简化了各元件的存储效果，而且还大大降低了成本，将这些C语言程序全部存储于Arduino存储器中，软件流程图如图7所示。
本次设计的是在Windows7系统中，利用Arduino相关的软件ArduinoIDE1.8.3进行调试过程。本软件主要提供void setup（）实现每个模块的初始化函数，void loop（）实现与接口相连的函数。该软件的运行界面如图8所示。
初始化模块：
Serial.begin（9600）；//初始化与PC的串行通信
while （！Serial）；//判断串口是否打开
SPI.begin（）；//打串口开
mfrc522.PCD_Init（）；//初始化FRC522
for（byte i=0； i<6；i++） {
key.keyByte[i]=0xFF；//准备（used as both the key）钥匙
lcd.init（）； //初始化LCD
lcd.backlight（）； //设置LCD背景等亮
myservo.attach（6）；//设置舵机控制针脚
//通过串口打印输出相关信息
Serial.println（F（"Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate read and write."））；
Serial.print（F（"Using key （for A and B）："））；
dump_byte_array（key.keyByte，MFRC522：：MF_KEY_SIZE）；
Serial.println（F（"BEWARE： Data will be written to the PICC，in sector #1"））；}
功能模塊：
lcd.setCursor（0，0）；//设置光标位置
if （！ mfrc522.PICC_IsNewCardPresent（））return；//寻找新卡
if （！ mfrc522.PICC_ReadCardSerial（））return；//选择其中一张卡
//显示PICC的详细信息
Serial.print（F（"Card UID："））；
//控制舵机0°到180°顺时针和180°到0°逆时针旋转，每次延时15ms
for（pos=0；pos<180；pos=pos+1） {myservo.write（pos）；delay（15）；}
5 软硬件测试（Soft and hardware test）
将所有模块连接好后用USB数据线与PC机相连起来，打开ArduinoIDE1.8.3这个软件，选择相适应的型号代码，进行对应的修改，将需要的代码进行融合，利用如图8所示的进行编译运行，控制舵机和识别IC卡功能，操作过程中的运行结果如图9所示。
6 结论（Conclusion）
为了解决大学生自习教室的出入安全问题，利用Arduino开发板设计的门禁系统，采用Arduino-UNOR3主模板作为该系统的核心板，利用RFID识别技术进行学生的相关信息识别，从而得到有效解决学生的安全管理。该系统还可以应用于其他方面的行业，比如家里、图书馆等场所，同时可以为“智慧校园”提供门禁数据信息。
参考文献（References）
[1] 俞萍，揭志华，汤榕文，等.“智慧校园”门禁系统的设计[J].广东培正学院论丛，2015（4）：91-94.
[2] 韩改宁，韩丽娜，张清文.基于Arduino开发平台的学生宿舍门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（9）：64-68.
[3] 苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树莓派的物联网开放平台[J].电子科技，2015，28（9）：35-37.
[4] 章登科，韩国程，俞朝晖，等.RFID技术及其在智能包装中的应用[J].包装工程， 2018（1）：6-11.
[5] 钱琨.基于RFID和工业串口屏的驾校车载计费系统的设计[D].武汉工程大学，2017.
[6] 苏赐民，乐政通，赵志伟，等.智能家居门禁系统的设计[J].电脑知识与技术，2017（35）：251-252.
[7] JohnBoxall.动手玩转Arduino[M].北京：人民邮电出版社，2014.
[8] 付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程， 2015（10）：76-79.
[9] 汪婉君.基于Android/Arduino平台的智能蓝牙引路系统的设计与实现[D].西安电子科技大学，2014.
[10] 禹谢华，邓林茂，张晓云，等.基于Android与Arduino智能家居控制系统的设计与实现[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017，48（4）：532-536.
作者简介：
袁贵锋（1995-），男，本科生.研究领域：物联网工程.
胡雄强（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
朱亚兵（1979-），男，本科，工程师.研究领域：计算机应用.
任 康（1994-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
薛飞勇（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
赵冯涛（1996-），男，本科生. 研究领域：物联网工程.
