摘 要

家庭使我們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾囊粋€(gè)地方，是我們最溫馨的港灣。家庭的安全直接關(guān)系到我們生活的幸福感。門(mén)禁系統(tǒng)就是我們家庭安全的第一道屏障。隨著生活水平的提高，家庭安全的重要性也得到了前所未有的關(guān)注。近幾年電子技術(shù)飛速發(fā)展，使得電子門(mén)禁系統(tǒng)也得到了前所未有的發(fā)展。智能門(mén)禁系統(tǒng)逐漸成為門(mén)禁系統(tǒng)中的主要角色。現(xiàn)如今一些高科技的門(mén)禁系統(tǒng)都以問(wèn)世，比如采用指紋解鎖的門(mén)禁系統(tǒng)、采用人臉識(shí)別方式進(jìn)行檢測(cè)的門(mén)禁系統(tǒng)、采用虹膜識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)等等都已經(jīng)有許多成熟的應(yīng)用。

本次設(shè)計(jì)的智能門(mén)禁系統(tǒng)，采用Arduino單片機(jī)為主控核心，利用相關(guān)傳感器及相關(guān)器件組成檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)裝置。本次設(shè)計(jì)的智能門(mén)禁采用按鍵與IC卡相結(jié)合的輸入方式，使用者可以通過(guò)按鍵輸入門(mén)禁密碼，或者通過(guò)IC卡進(jìn)入門(mén)禁系統(tǒng)。門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)有LCD液晶顯示器，可以顯示系統(tǒng)時(shí)間及當(dāng)前門(mén)禁狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)配備有網(wǎng)絡(luò)模塊，通過(guò)網(wǎng)線與互聯(lián)網(wǎng)相連接。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)開(kāi)關(guān)門(mén)禁系統(tǒng)。同時(shí)使用者可以通過(guò)按鍵進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定及密碼修改。

本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)詳細(xì)的敘述了從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及核心芯片的選型，深入淺出的講解了各部分電路的工作原理。

第一章 緒 論

1.1 引言

1.1.1 研究背景

從古至今，人們習(xí)慣用普通的門(mén)鎖來(lái)保護(hù)他們的財(cái)產(chǎn)，以及防止非法人員進(jìn)出房間等私密場(chǎng)所，這種簡(jiǎn)單的方法一直延續(xù)了很久。然而普通的門(mén)鎖始終離不開(kāi)鑰匙，而且每把門(mén)鎖需要一把與之相對(duì)應(yīng)的鑰匙，需要加鎖的地方也越來(lái)越多，導(dǎo)致需要隨聲攜帶很多把鑰匙。

鑰匙多了就不方便于攜帶，并且容易丟失和被盜，安全很差。在科技高速發(fā)展的現(xiàn)在，傳統(tǒng)的門(mén)鎖已經(jīng)不能滿足人們對(duì)安防的需求，為了從根本上改變這種局面，產(chǎn)生了智能門(mén)禁系統(tǒng)，它是在電子、機(jī)械、光學(xué)、生物識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等新技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，它也是新時(shí)代很優(yōu)秀的產(chǎn)物[1]。

在科技飛速發(fā)展的今天，門(mén)禁系統(tǒng)已發(fā)展成為一套多功能的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。它對(duì)出入口及通道的作用已經(jīng)不再是單純的鑰匙和鎖的管理，能夠幫助內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有序的管理方式，能夠準(zhǔn)確的記錄人員的出入時(shí)間、出入情況等，限制人員的出入范圍，也可以很好的拒絕非法人物進(jìn)入。同時(shí)，它也可以有效的防范財(cái)產(chǎn)受到非法侵犯。門(mén)禁管理系統(tǒng)已經(jīng)成為了安全防范系統(tǒng)中很重要的部分，在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用廣泛，已經(jīng)在辦公室，賓館，智能大廈，智能小區(qū)等各種大門(mén)、通道、房間的管理得到了廣泛應(yīng)用。

房地產(chǎn)事業(yè)發(fā)展的迅猛，小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)也隨之成為小區(qū)住宅樓不可缺少的配套設(shè)施，它很好的保護(hù)了住戶(hù)的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的迅速發(fā)展，它們?cè)诟黝I(lǐng)域的智能化應(yīng)用為智能門(mén)禁系統(tǒng)提供了技術(shù)和條件。門(mén)禁系統(tǒng)在今后仍會(huì)有很好的發(fā)展前景。

1.1.2智能安防系統(tǒng)介紹

以“智能門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)的話題，這一個(gè)方案以“智能門(mén)禁”這一理念，所以在這里有必要對(duì)“智能門(mén)禁”做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹?，F(xiàn)在家庭生活質(zhì)量追求不斷提升?，F(xiàn)在技術(shù)不斷提升比如：PCB板的精細(xì)、無(wú)線通信、微電子的發(fā)展。現(xiàn)在的單片機(jī)的速度在不斷加速，加上傳感器的精密度不斷提升。這一系列的資源為提升一個(gè)智能門(mén)禁系統(tǒng)就很容易實(shí)現(xiàn)。智能門(mén)禁離不開(kāi)語(yǔ)音的提示的系統(tǒng)，市

場(chǎng)上的語(yǔ)音的芯片特別是語(yǔ)音的解碼部分的性能的提升。小區(qū)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能門(mén)禁系統(tǒng)就能很簡(jiǎn)單了，人們的生活環(huán)境不斷提升。智能門(mén)禁的特點(diǎn)，它是融合了PCB板的精細(xì)、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)的通信等等。小區(qū)用了智能門(mén)禁的手段來(lái)管理控制出入來(lái)往的客人，比如，通過(guò)指紋識(shí)別、無(wú)線傳送、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語(yǔ)音識(shí)別控制，通過(guò)這一類(lèi)的傳感器的控制，并將它們?nèi)岷驮谝粋€(gè)系統(tǒng)中。另一方面，一般高級(jí)一點(diǎn)的智能門(mén)禁系統(tǒng)，都是實(shí)現(xiàn)多塊單片機(jī)的通信，用到無(wú)線的通信是比較方便。這樣會(huì)系統(tǒng)的效率提高一個(gè)檔次。

1.1.3智能門(mén)禁系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的研究已經(jīng)從認(rèn)知教育和試用進(jìn)入到了研發(fā)階段，但在門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)過(guò)程中還有一些不足之處，其表現(xiàn)為：

(1)對(duì)國(guó)外已有的系統(tǒng)進(jìn)行仿造；

(2)采用國(guó)外現(xiàn)有的集成模塊，如門(mén)禁控制器，讀寫(xiě)器，天線模板等；

(3)產(chǎn)品形式缺乏多樣化、投入資金消耗量大。

在技術(shù)方面，中國(guó)當(dāng)前也有很多企業(yè)仿制國(guó)外的門(mén)禁系統(tǒng)，目前的做法有兩種，一是采購(gòu)?fù)鈬?guó)商家的系統(tǒng)零部件，例如門(mén)控器，讀寫(xiě)器等，再對(duì)這些芯片進(jìn)行二次軟硬件的設(shè)計(jì)。此系列系統(tǒng)的性能較好，能夠滿足那些對(duì)安全有嚴(yán)格要求的場(chǎng)所，但是價(jià)格昂貴。二是，在購(gòu)買(mǎi)核心芯片之外，對(duì)國(guó)外其他部件的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品進(jìn)行研制。

此方式容易變通，可以隨時(shí)滿足客戶(hù)對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的合理性要求，且價(jià)格比較便宜。從內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)可看出，國(guó)內(nèi)的門(mén)禁系統(tǒng)多數(shù)以控制器為核心研制的，門(mén)控器部分由國(guó)外廠家開(kāi)發(fā)。就是門(mén)禁控制器要接收讀卡器的信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)來(lái)決定是否開(kāi)門(mén)。國(guó)內(nèi)在目前先進(jìn)的智能系統(tǒng)的研發(fā)處于滯后狀態(tài)，不過(guò)相信在未來(lái)我國(guó)一定能夠研發(fā)出完全屬于自己的智能系統(tǒng)。

1.1.4 研究意義

門(mén)禁系統(tǒng)是智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的安全系統(tǒng)，是一種新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)。小區(qū)建筑物內(nèi)的重要管理區(qū)、存放貴重物的倉(cāng)庫(kù)、控制中心等重要位置的通道口的安全防護(hù)都非常重要，這就必然需要研究一套相應(yīng)的防護(hù)措施即：智能門(mén)禁系統(tǒng)，他可以識(shí)別人員身份，控制人員進(jìn)出，門(mén)禁系統(tǒng)是保障小區(qū)住戶(hù)的人身財(cái)產(chǎn)安全的重要工具。同時(shí)還可以通過(guò)小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熟悉掌握單片機(jī)的特點(diǎn)、編程技巧以及其應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程加深對(duì)其他相關(guān)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)、理解和掌握。

（1）小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)中常見(jiàn)的設(shè)施，能夠?qū)χ悄茏≌闹匾ǖ肋M(jìn)行管理，保障住戶(hù)的人身及財(cái)產(chǎn)安全，減少或防止非法行為的發(fā)生。

（2）小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)可以對(duì)住戶(hù)及訪客的出入情況進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)管理，并記錄檔案為突發(fā)事件提供相關(guān)資料，便于以后的查閱。

（3）該設(shè)計(jì)可以為住戶(hù)和訪客提供了便捷有效的出入方式，方便了人們間的交往，實(shí)現(xiàn)了社會(huì)的融洽相處。

第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)實(shí)現(xiàn)功能

（1）使用按鍵輸入密碼的方式進(jìn)行解鎖；

（2）使用IC卡的方式進(jìn)行解鎖；

（3）采用遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)控制的方式進(jìn)行解鎖；

（4）使用LCD進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間的顯示。

2.2系統(tǒng)總體方案框圖

圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖

如上圖所示本次設(shè)計(jì)的智能門(mén)禁系統(tǒng)主要由控制器、非接觸式讀卡器、按鍵、顯示器、網(wǎng)絡(luò)模塊等電路組成。其中非接觸讀卡器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)IC卡刷卡進(jìn)入門(mén)禁系統(tǒng)，按鍵輸入電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)輸入密碼進(jìn)入門(mén)禁，顯示器用來(lái)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)等參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)PC端網(wǎng)頁(yè)控制。系統(tǒng)的硬件電路介紹及選型在第三章進(jìn)行介紹。

第三章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本章節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)的各模塊電路進(jìn)行介紹，主要包括電路的設(shè)計(jì)及選型依據(jù)等進(jìn)行介紹。

3.1 系統(tǒng)主控制器選擇

本次設(shè)計(jì)的智能門(mén)禁系統(tǒng)中，主控制器是最為關(guān)鍵的部分，它用于控制各個(gè)傳感器及驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。所以主控制器設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否。通常在進(jìn)行智能門(mén)禁系統(tǒng)中比較常用的控制器有嵌入式處理器、Arduino、DSP等。現(xiàn)對(duì)以上三種控制器進(jìn)行介紹：

3.1.1嵌入式處理器

嵌入式處理器種類(lèi)繁多，現(xiàn)以一種比較常用的芯片STM32F103為代表做簡(jiǎn)介的介紹。STM32是意法公司推出的基于ARM內(nèi)核的嵌入式微處理器系列，，其下其主要包括基本系列增強(qiáng)型系列、USB基本型系列、互補(bǔ)型系列。其中STM32F103是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式微處理器。其最高系統(tǒng)主頻為72Mhz，屬于一歀中低檔的工業(yè)嵌入式處理器。

改處理器擁有豐富的片上外設(shè)。包括定時(shí)器、高精度ADC、工業(yè)CAN總線、SPI、I2C、USB及高速UART等外設(shè)，STM32F103系列處理器擁有者強(qiáng)大的電源管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)控制而且在部分產(chǎn)品上面具有硬件以太網(wǎng)模塊，可以很方便的實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制。

同時(shí)其片上還有硬件的乘法器除法器，可以提示運(yùn)算速度。這些出色的特點(diǎn)使得STM32F103系列在工業(yè)控制、智能電源、電機(jī)控制、醫(yī)療儀器設(shè)備等領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)及應(yīng)用。目前很多門(mén)禁控制系統(tǒng)中采用這種處理器作為核心控制器。可以很方便的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而且目前關(guān)于STM32F系列處理器的應(yīng)用設(shè)計(jì)也是比較多的，所以進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的時(shí)候有許多成熟的設(shè)計(jì)可供參考。

3.1.2 Arduino控制器

Arduino是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種硬件開(kāi)源控制平臺(tái)。其內(nèi)部核心也是單片機(jī)，主要是ATMEGA公司生產(chǎn)的單片機(jī)。它構(gòu)建于開(kāi)放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類(lèi)似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境。主要包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板；另外一個(gè)則是Arduino IDE，你的計(jì)算機(jī)中的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。你只要在IDE中編寫(xiě)程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會(huì)告訴Arduino電路板要做些什么了。

Arduino可以通過(guò)不同類(lèi)型的傳感器來(lái)感知外界環(huán)境，再通過(guò)對(duì)燈光和馬達(dá)等其他裝置的控制反饋到環(huán)境，進(jìn)而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。板子上的微控制器利用Arduino平臺(tái)的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，再轉(zhuǎn)譯成二進(jìn)制的文件，燒錄到微控制器中。通過(guò)利用基于 Wiring的Arduino編程語(yǔ)言和基于 Processing的Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)的對(duì)Arduino的編程。

基于Arduino的項(xiàng)目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運(yùn)行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 Flash,Processing, MaxMSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Arduino平臺(tái)的主要特點(diǎn)是：

（1）跨平臺(tái)：Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開(kāi)發(fā)。

（2）簡(jiǎn)單清晰：processing IDE是Arduino IDE開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，初學(xué)者更容易掌握學(xué)習(xí)，同時(shí)有足夠的靈活性。Arduino語(yǔ)言是基于wiring語(yǔ)言而開(kāi)發(fā)，是對(duì) avr-gcc庫(kù)的二次封裝，對(duì)于單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)的功底要求不高，通過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)之后，就可以快速的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

（3）開(kāi)放性：Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開(kāi)源的，只要不違反開(kāi)源協(xié)議就可以對(duì)原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼作出修改。

（4）發(fā)展迅速：Arduino不僅僅是全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，更是硬件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。Arduino的開(kāi)發(fā)方式非常的簡(jiǎn)單，這也促使開(kāi)發(fā)者更加注重創(chuàng)意和實(shí)現(xiàn)，保質(zhì)保量的完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，不僅極大節(jié)約了學(xué)習(xí)耗費(fèi)的成本，而且縮短了開(kāi)發(fā)的周期。

審核編輯：劉清