王 斌 龍 騰 江西服裝學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院 南昌市 330201

0 引言

在高校中師生需要在多個(gè)場(chǎng)合進(jìn)行活動(dòng)，例如在實(shí)驗(yàn)室、宿舍、圖書館等，這些場(chǎng)所均需要保持一定的安全性，避免閑雜無關(guān)人員隨便出入，為了解決該問題，目前較好的辦法就是引入智能門禁管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)符合條件的人員正常出入，不符合條件的人員禁止出入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)場(chǎng)所在無人值守的情況下進(jìn)行安全、有序、高效管理［1］。

通過對(duì)這些場(chǎng)所的進(jìn)出人員情況進(jìn)行調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析得出結(jié)論，一般主要分為3種人員，第一種是學(xué)生和教師，是進(jìn)入這些場(chǎng)合的主要人員，可通過校園一卡通刷卡進(jìn)出上述場(chǎng)所；第二種是臨時(shí)人員，可通過輸入授權(quán)臨時(shí)密碼進(jìn)出上述場(chǎng)所；第三種是管理人員，可通過指紋識(shí)別方式進(jìn)出上述場(chǎng)所。當(dāng)然也可根據(jù)需要為相關(guān)人員開通兩種及以上的解鎖方式，以更加靈活的方式來管理相關(guān)場(chǎng)所的安全。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，RFID相關(guān)模塊、指紋識(shí)別模塊、核心控制單片機(jī)等硬件設(shè)備的價(jià)格也越來越親民，相關(guān)技術(shù)也日益成熟。因此，根據(jù)上述分析情況設(shè)計(jì)開發(fā)出一種多功能門禁控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可行性和必要性［2］。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求在系統(tǒng)上電之后可實(shí)現(xiàn)三種解鎖功能：

（1）通過矩陣鍵盤按鍵輸入當(dāng)前門禁密碼，且可以利用鍵盤來實(shí)現(xiàn)管理門禁密碼［3］；

（2）當(dāng)RFID卡進(jìn)入讀寫模塊的感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，讀寫器即可自動(dòng)讀取卡號(hào)，單片機(jī)根據(jù)卡號(hào)信息對(duì)卡的合法性進(jìn)行判斷［4-6］，若該卡合法注冊(cè)，系統(tǒng)會(huì)解鎖門禁并在液晶屏上顯示卡號(hào)，若該卡未注冊(cè)，則無法解鎖；

（3）用戶將已錄入指紋信息的手指放到指紋采集頭上即可實(shí)現(xiàn)指紋解鎖［3］。

此外，當(dāng)用戶解鎖失敗次數(shù)達(dá)三次便會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警以警示用戶的使用，同時(shí)鍵盤被鎖。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件以單片機(jī)為主控核心，整體上包含六大模塊，分別是單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、指紋識(shí)別模塊、RFID識(shí)別模塊、存儲(chǔ)模塊和液晶顯示模塊［7］，其整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 門禁系統(tǒng)硬件框圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)電路由單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路4部分組成電［1］，其中單片機(jī)選取STC89C52RC型，電源電壓為5V，復(fù)位電路采用上拉電容下拉電阻的上電復(fù)位，連接單片機(jī)的第9管腳，時(shí)鐘電路中選取晶振頻率為11.0592MHz，連接單片機(jī)的第18和19管腳并串聯(lián)30pF電容進(jìn)行濾波以提高穩(wěn)定性，具體電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

為了便于設(shè)置和顯示密碼、提示信息等，采用液晶顯示模塊LCD12864進(jìn)行顯示和提示。通過單片機(jī)控制LCD12864顯示十分方便，其7～14數(shù)據(jù)管腳直接連接單片機(jī)P0口，控制端RS、RW和EN分別接單片P2.6、P2.7和P2.8口，數(shù)據(jù)通過P0口以8位并行方式傳遞給顯示模塊，具體電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.3 指紋模塊接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取ATK-AS608模塊進(jìn)行指紋識(shí)別，該模塊配備了串口通信接口，用戶無須研究復(fù)雜的圖像處理及指紋識(shí)別算法，只需通過簡(jiǎn)單的串口便可控制該模塊，模塊引腳具體說明如表1所示，具體接口電路如圖5所示，其管腳1接3.3V電源，管腳2和管腳3分別連接單片P3.0和P3.1口，通過串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，管腳4接地，管腳5與單片機(jī)P3.7口相連，默認(rèn)高電平有效來控制感應(yīng)信號(hào)的輸出，管腳6是觸摸感應(yīng)電源輸入端，供電電壓為3.3V。

表1 ATK-AS608模塊引腳說明圖

圖5 指紋模塊接口電路

2.4 RFID模塊接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取MFRC522模塊完成對(duì)RFID卡的讀寫操作［4］，其使用方便，成本低廉，適用于設(shè)備、讀卡器的開發(fā)。該模塊有八個(gè)引腳，其工作電壓為3.3V，相關(guān)引腳具體說明如表2所示。

表2 MFRC522模塊引腳說明圖

該模塊中，串行數(shù)據(jù)線引腳連接單片機(jī)的P2.1口，SCK時(shí)鐘引腳連接單片機(jī)P2.2口，RC522接收MOSI引腳與單片機(jī)的P2.3口相連，RC522輸出MISO引腳與單片機(jī)的P2.4口相連，中斷請(qǐng)求輸出引腳IRQ未使用，復(fù)位引腳RST與單片機(jī)的P2.5口相連，電源引腳接入3.3V直流電壓。

2.5 存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)斷電用戶數(shù)據(jù)不丟失，選取存儲(chǔ)器AT24C02進(jìn)行存儲(chǔ)。AT24C02采用I2C總線方式進(jìn)行通信，十分方便與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信，其中串行時(shí)鐘引腳SCL和串行數(shù)據(jù)/地址引腳SDA管腳分別與單片機(jī)的P3.4口和P3.5口連接實(shí)現(xiàn)串行通信，寫保護(hù)引腳WP與單片機(jī)的P3.3口連接，器件地址選擇引腳A0、A1、A2全部接高電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要圍繞著RFID 卡的識(shí)別和管理、指紋識(shí)別和管理、密碼識(shí)別和管理、液晶屏顯示提示信息等4個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

系統(tǒng)首先完成各模塊相關(guān)參數(shù)的初始化工作，初始化完成后LCD12864液晶屏將會(huì)顯示歡迎使用多功能電子鎖字樣，接下來可根據(jù)實(shí)際需要選擇對(duì)應(yīng)功能按鍵，并完成相應(yīng)操作：①當(dāng)按下RFID卡管理鍵，即可完成增加RFID卡新用戶信息、刪除和修改已有RFID卡用戶信息等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡用戶信息的有效管理。②當(dāng)按下指紋管理鍵，就可以完成增加指紋新用戶信息、刪除和修改已有指紋用戶信息等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋用戶信息的有效管理。③當(dāng)按下密碼管理鍵，就可以進(jìn)入增加密碼新用戶信息、刪除和修改已有密碼用戶信息等操作環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)密碼信息的有效管理。④當(dāng)選擇RFID卡識(shí)別模式時(shí)，當(dāng)識(shí)別到已注冊(cè)合法的RFID卡時(shí)即可順利打開門禁，否則顯示屏?xí)崾緹o法識(shí)別該卡或該卡未注冊(cè)等信息提醒用戶。⑤當(dāng)選擇指紋識(shí)別模式時(shí)，當(dāng)識(shí)別到已注冊(cè)合法的指紋時(shí)即可順利打開門禁，否則顯示屏?xí)崾驹撝讣y未注冊(cè)等信息提醒用戶。⑥當(dāng)選擇密碼識(shí)別模式時(shí)，當(dāng)輸入的密碼是注冊(cè)過的即可順利打開門禁，否則顯示屏?xí)崾久艽a無效等信息提醒用戶，同時(shí)當(dāng)輸入的密碼連續(xù)錯(cuò)誤3次就會(huì)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警提示，此時(shí)需要過一段時(shí)間才能再次輸入密碼解鎖門禁，整體上系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體運(yùn)行流程圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 管理員設(shè)置功能

系統(tǒng)設(shè)置了10個(gè)鍵分別對(duì)應(yīng)0～9來輸入數(shù)字密碼，另外6 個(gè)按鍵其功能分別對(duì)應(yīng)為：“A”鍵代表向上翻頁，“B”鍵代表向下翻頁，“C”鍵代表返回上一操作界面，“D”鍵代表管理員操作界面，“#”代表確認(rèn)按鍵，“*”代表退格，通過這些按鍵便可以實(shí)現(xiàn)門禁密碼的錄入和刪除、RFID卡的登記和注銷、指紋的注冊(cè)、注銷以及清空等操作，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出門禁人員信息的安全有效的管理。

4.2 指紋識(shí)別功能

上電初始化完成后，首先需要將指紋信息錄入系統(tǒng)，在錄入過程中需要對(duì)指紋信息進(jìn)行連續(xù)采集3次，全部符合要求即可正常錄入系統(tǒng)，最后返回初始狀態(tài)，此時(shí)只需將已錄入指紋的手指放置在指紋采集頭上，之后發(fā)出滴的一聲并且指示燈亮起，即可實(shí)現(xiàn)門禁解鎖，屏幕上會(huì)顯示門已打開和用戶編號(hào)。否則未注冊(cè)用戶通過此門禁時(shí)，LCD12648液晶屏幕上會(huì)提示指紋無效，門禁無法正常解鎖。

4.3 RFID卡識(shí)別功能

上電初始化完成后，用戶只需將校園一卡通（RFID卡）靠近MFRC522讀寫器感應(yīng)區(qū)，屏幕將會(huì)顯示門已打開和對(duì)應(yīng)一卡通編號(hào)。當(dāng)RFID卡未注冊(cè)時(shí)，將其放置在感應(yīng)區(qū)時(shí)，屏幕會(huì)顯示信息錯(cuò)誤和對(duì)應(yīng)的卡號(hào)，門禁無法正常解鎖。

4.4 密碼識(shí)別功能

上電初始化完成后，即可通過矩陣鍵盤輸入注冊(cè)過的合法密碼，單片機(jī)處理后即可發(fā)送指令控制繼電器模塊來解鎖門禁，同時(shí)還會(huì)伴隨著指示燈的亮起和繼電器開鎖的聲響。當(dāng)輸入非法密碼時(shí)顯示屏?xí)崾久艽a錯(cuò)誤，門禁無法正常解鎖。

4.5 測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)系統(tǒng)的管理員設(shè)置功能、指紋識(shí)別功能、RFID卡識(shí)別功能、密碼識(shí)別功能等4個(gè)主要方面的功能進(jìn)行了模擬測(cè)試，管理員設(shè)置功能中的按鍵操作均能準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，能夠達(dá)到預(yù)期效果；指紋識(shí)別功能測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)有個(gè)別情況無法正確識(shí)別有效指紋，分析其原因發(fā)現(xiàn)，一般情況下是指紋未完全對(duì)正、指紋按壓力度較輕、指紋出現(xiàn)了水質(zhì)等污染等相關(guān)情況，因此，在進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)只需要注意以上幾點(diǎn)，避免出現(xiàn)這些情況就可以以較高的識(shí)別率通過指紋識(shí)別；RFID卡識(shí)別功能測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一卡通偏離了讀卡器或距離過遠(yuǎn)就無法正常讀取，因此，在刷卡時(shí)避免出現(xiàn)上述情況即可快速高效地識(shí)別；密碼識(shí)別功能測(cè)試過程整體比較順利，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)異?，F(xiàn)象。綜上所述，系統(tǒng)總體功能經(jīng)測(cè)試完全能夠達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

在充分分析了高校相關(guān)公共場(chǎng)所實(shí)際需求的情況下，特別是高校實(shí)驗(yàn)室、圖書館、學(xué)生宿舍等場(chǎng)所對(duì)進(jìn)出人員的安全性有較高的實(shí)際需求，并結(jié)合高校實(shí)際情況開發(fā)了一套多功能門禁控制器，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)密碼識(shí)別、RFID卡識(shí)別和指紋識(shí)別三種不同的方式來解鎖門禁。其中密碼識(shí)別主要針對(duì)臨時(shí)進(jìn)出人員，同時(shí)可對(duì)密碼有效時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；RFID卡識(shí)別主要針對(duì)師生，其充分利用師生手中的校園一卡通（RFID卡）實(shí)現(xiàn)刷卡進(jìn)出，大大節(jié)約相關(guān)資源；指紋識(shí)別可主要針對(duì)相關(guān)場(chǎng)所的管理人員來進(jìn)行使用。當(dāng)然在具體實(shí)際使用過程中，也可根據(jù)實(shí)際需要授權(quán)相關(guān)人員使用多種解鎖門禁方式，在更加高效有序地管理相關(guān)公共場(chǎng)所安全的同時(shí)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述公共場(chǎng)所進(jìn)出人員進(jìn)行了較好的分類管理。系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試，各項(xiàng)功能均能達(dá)到預(yù)期效果，其整體上具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和研究意義。