求一种基于Arduino的门禁系统设计方案

摘 要

家庭使我们日常生活中最重要的一个地方，是我们最温馨的港湾。家庭的安全直接关系到我们生活的幸福感。门禁系统就是我们家庭安全的第一道屏障。随着生活水平的提高，家庭安全的重要性也得到了前所未有的关注。近几年电子技术飞速发展，使得电子门禁系统也得到了前所未有的发展。智能门禁系统逐渐成为门禁系统中的主要角色。现如今一些高科技的门禁系统都以问世，比如采用指纹解锁的门禁系统、采用人脸识别方式进行检测的门禁系统、采用虹膜识别的门禁系统等等都已经有许多成熟的应用。

本次设计的智能门禁系统，采用Arduino单片机为主控核心，利用相关传感器及相关器件组成检测与驱动装置。本次设计的智能门禁采用按键与IC卡相结合的输入方式，使用者可以通过按键输入门禁密码，或者通过IC卡进入门禁系统。门禁系统设有LCD液晶显示器，可以显示系统时间及当前门禁状态，同时系统配备有网络模块，通过网线与互联网相连接。系统可以实现远程网页开关门禁系统。同时使用者可以通过按键进行系统设定及密码修改。

本设计说明书详细的叙述了从系统方案设计及核心芯片的选型，深入浅出的讲解了各部分电路的工作原理。

第一章 绪  论

1.1 引言

1.1.1 研究背景

从古至今，人们习惯用普通的门锁来保护他们的财产，以及防止非法人员进出房间等私密场所，这种简单的方法一直延续了很久。然而普通的门锁始终离不开钥匙，而且每把门锁需要一把与之相对应的钥匙，需要加锁的地方也越来越多，导致需要随声携带很多把钥匙。

钥匙多了就不方便于携带，并且容易丢失和被盗，安全很差。在科技高速发展的现在，传统的门锁已经不能满足人们对安防的需求，为了从根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的基础上开发出来的，它也是新时代很优秀的产物[1]。

在科技飞速发展的今天，门禁系统已发展成为一套多功能的现代化管理系统。它对出入口及通道的作用已经不再是单纯的钥匙和锁的管理，能够帮助内部实现有序的管理方式，能够准确的记录人员的出入时间、出入情况等，限制人员的出入范围，也可以很好的拒绝非法人物进入。同时，它也可以有效的防范财产受到非法侵犯。门禁管理系统已经成为了安全防范系统中很重要的部分，在当今社会应用广泛，已经在办公室，宾馆，智能大厦，智能小区等各种大门、通道、房间的管理得到了广泛应用。

房地产事业发展的迅猛，小区门禁系统也随之成为小区住宅楼不可缺少的配套设施，它很好的保护了住户的人身安全和财产安全。微型计算机和单片机的迅速发展，它们在各领域的智能化应用为智能门禁系统提供了技术和条件。门禁系统在今后仍会有很好的发展前景。

1.1.2智能安防系统介绍

以“智能门禁系统设计”的设计的话题，这一个方案以“智能门禁”这一理念，所以在这里有必要对“智能门禁”做一个简单的介绍。现在家庭生活质量追求不断提升。现在技术不断提升比如：PCB板的精细、无线通信、微电子的发展。现在的单片机的速度在不断加速，加上传感器的精密度不断提升。这一系列的资源为提升一个智能门禁系统就很容易实现。智能门禁离不开语音的提示的系统，市

场上的语音的芯片特别是语音的解码部分的性能的提升。小区实现一个智能门禁系统就能很简单了，人们的生活环境不断提升。智能门禁的特点，它是融合了PCB板的精细、无线通信、网络的通信等等。小区用了智能门禁的手段来管理控制出入来往的客人，比如，通过指纹识别、无线传送、电话、互联网或者语音识别控制，通过这一类的传感器的控制，并将它们柔和在一个系统中。另一方面，一般高级一点的智能门禁系统，都是实现多块单片机的通信，用到无线的通信是比较方便。这样会系统的效率提高一个档次。

1.1.3智能门禁系统国内外的研究现状

目前，国内对门禁系统的研究已经从认知教育和试用进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与研发过程中还有一些不足之处，其表现为：

(1) 对国外已有的系统进行仿造；

(2) 采用国外现有的集成模块，如门禁控制器，读写器，天线模板等；

(3)产品形式缺乏多样化、投入资金消耗量大。

在技术方面，中国当前也有很多企业仿制国外的门禁系统，目前的做法有两种，一是采购外国商家的系统零部件，例如门控器，读写器等，再对这些芯片进行二次软硬件的设计。此系列系统的性能较好，能够满足那些对安全有严格要求的场所，但是价格昂贵。二是，在购买核心芯片之外，对国外其他部件的优质产品进行研制。

此方式容易变通，可以随时满足客户对门禁系统的合理性要求，且价格比较便宜。从内部系统结构出发可看出，国内的门禁系统多数以控制器为核心研制的，门控器部分由国外厂家开发。就是门禁控制器要接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。国内在目前先进的智能系统的研发处于滞后状态，不过相信在未来我国一定能够研发出完全属于自己的智能系统。

1.1.4 研究意义

门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，是一种新型现代化安全管理系统。小区建筑物内的重要管理区、存放贵重物的仓库、控制中心等重要位置的通道口的安全防护都非常重要，这就必然需要研究一套相应的防护措施即：智能门禁系统，他可以识别人员身份，控制人员进出，门禁系统是保障小区住户的人身财产安全的重要工具。同时还可以通过小区门禁系统的设计，熟悉掌握单片机的特点、编程技巧以及其应用，在设计过程加深对其他相关课程内容的学习、理解和掌握。

（1）小区门禁系统是安全防范系统中常见的设施，能够对智能住宅的重要通道进行管理，保障住户的人身及财产安全，减少或防止非法行为的发生。

（2）小区门禁系统可以对住户及访客的出入情况进行常规统计管理，并记录档案为突发事件提供相关资料，便于以后的查阅。

（3）该设计可以为住户和访客提供了便捷有效的出入方式，方便了人们间的交往，实现了社会的融洽相处。

第二章 系统总体方案设计

2.1系统设计预实现功能

（1）使用按键输入密码的方式进行解锁；

（2）使用IC卡的方式进行解锁；

（3）采用远程网页控制的方式进行解锁；

（4）使用LCD进行系统时间的显示。

2.2系统总体方案框图

图2-1 系统总体方案框图

如上图所示本次设计的智能门禁系统主要由控制器、非接触式读卡器、按键、显示器、网络模块等电路组成。其中非接触读卡器主要用来实现IC卡刷卡进入门禁系统，按键输入电路用来实现手动输入密码进入门禁，显示器用来显示系统的状态等参数，网络模块用来实现PC端网页控制。系统的硬件电路介绍及选型在第三章进行介绍。

第三章 系统电路设计

本章节主要对系统的各模块电路进行介绍，主要包括电路的设计及选型依据等进行介绍。

3.1 系统主控制器选择

本次设计的智能门禁系统中，主控制器是最为关键的部分，它用于控制各个传感器及驱动装置，负责协调整个系统。所以主控制器设计的好坏直接关系到系统设计的成功与否。通常在进行智能门禁系统中比较常用的控制器有嵌入式处理器、Arduino、DSP等。现对以上三种控制器进行介绍：

3.1.1嵌入式处理器

嵌入式处理器种类繁多，现以一种比较常用的芯片STM32F103为代表做简介的介绍。STM32是意法公司推出的基于ARM内核的嵌入式微处理器系列，，其下其主要包括基本系列增强型系列、USB基本型系列、互补型系列。其中STM32F103是一款基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式微处理器。其最高系统主频为72Mhz，属于一歀中低档的工业嵌入式处理器。

改处理器拥有丰富的片上外设。包括定时器、高精度ADC、工业CAN总线、SPI、I2C、USB及高速UART等外设，STM32F103系列处理器拥有者强大的电源管理系统可以实现低功耗的系统控制而且在部分产品上面具有硬件以太网模块，可以很方便的实现以太网控制。

同时其片上还有硬件的乘法器除法器，可以提示运算速度。这些出色的特点使得STM32F103系列在工业控制、智能电源、电机控制、医疗仪器设备等领域有着出色的表现及应用。目前很多门禁控制系统中采用这种处理器作为核心控制器。可以很方便的实现控制系统的设计。而且目前关于STM32F系列处理器的应用设计也是比较多的，所以进行系统的设计的时候有许多成熟的设计可供参考。

3.1.2 Arduino控制器

Arduino是最近几年才发展起来的一种硬件开源控制平台。其内部核心也是单片机，主要是ATMEGA公司生产的单片机。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。

Arduino可以通过不同类型的传感器来感知外界环境，再通过对灯光和马达等其他装置的控制反馈到环境，进而对环境产生影响。板子上的微控制器利用Arduino平台的编程语言来编写程序，再转译成二进制的文件，烧录到微控制器中。通过利用基于 Wiring的Arduino编程语言和基于 Processing的Arduino开发环境来实现的对Arduino的编程。

基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 Flash,Processing, MaxMSP)来实现。

Arduino平台的主要特点是：

（1）跨平台：Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系统上运行，而其他的大多数控制器只能在Windows上开发。

（2）简单清晰：processing IDE是Arduino IDE开发的基础，初学者更容易掌握学习，同时有足够的灵活性。Arduino语言是基于wiring语言而开发，是对 avr-gcc库的二次封装，对于单片机基础、编程基础的功底要求不高，通过简单的学习之后，就可以快速的进行开发。

（3）开放性：Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，只要不违反开源协议就可以对原始设计及相应代码作出修改。

（4）发展迅速：Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino的开发方式非常的简单，这也促使开发者更加注重创意和实现，保质保量的完成项目开发，不仅极大节约了学习耗费的成本，而且缩短了开发的周期。

审核编辑：刘清