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基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现论文
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2023-08-26
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基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现基于单片机的楼宇门禁系统的设计与实现
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1、绪论
1.1 研究背景及意义
随着中国经济的高速发展,人们的生活水平也在逐步进步,对更高品质的生
活的追求也逐渐强烈,其中就包括拥有更安全舒适的生活环境。而门禁系统是控
制私有区域人员出入的设施,对保护区域人员财产安全有着重要作用。因此,人
们对安全方便的智能化门禁系统的需求也越来越大。
现在智能门禁系统已经成为楼宇安防系统的重要一环,市面上已经有各种各
样的门禁系统,在实际场景中也是非常常见。在各种公司大楼的出入门禁,小区
门禁,校园出入门禁等地方,都可以看到安保人员加上智能化的门禁系统和监控
系统来实现对人员出入的管理控制。通过少量的成本,就可以对很多区域的人员
出入进行管理控制,不仅安全方便,还提供了很多传统的门禁系统很难做到的功
能,如出入的日志记录,人员打卡签到,外来访客记录等功能。
通过调查发现,市面上的门禁系统产品很多,门禁系统的功能越来越丰富,
也越来越安全便利。但是还是有很多地方使用落后的门禁系统技术,使用的很不
方便,也存在很大的安全性隐患,这跟门禁系统的购买成本和管理成本有关。市
场上最廉价的 IC 卡识别门禁系统,没有人机交互界面,只有一种验证方式,使
用起来非常不方便,最低也需要一百五十元人民币。而普通的功能完善、有多种
验证方式、有人机交互界面的门禁系统大概需要四五百元人民币,百度的离线版
人脸识别闸机需要大概三千元人民币,而一些安全性更高的门禁系统则需要上万
元人民币。总体来说,门禁系统的价格是偏高的。因此研究出更加廉价、安全方
便、易于管理维护的门禁系统就变得很重要了。本设计选择性价比高的硬件节省
成本,解决门禁系统价格昂贵的问题;包含了多种验证方式,让门禁系统更加安
全方便;提供人机交互界面方便人们使用,使门禁系统更加智能化。
1.2 国内外研究现状
过去想要控制区域的人员的进出是在门上装机械锁,通过钥匙来开门从而获
得进出的权限。但是这种方式十分的不方便也存在很大的安全隐患。钥匙一般使
用金属材质制成,携带不方便。而且机械钥匙很容易被复刻,复刻的钥匙也可以
开锁,会造成一定的安全隐患。如果当钥匙丢失或者想要重新设置区域出入的权
限时都需要更换整个门锁,代价昂贵。另外门禁系统使用的是普通机械门锁,很
容易被人撬开或者被暴力破坏。总的来说传统的验证方式十分的不安全不方便。
随着科技的发展,人们逐渐使用电子门锁取代了传统的机械门锁,出现了没
有锁孔的数字密码锁,免接触式的感应锁。数字密码锁只要记住密码就可以验证
开锁,而且一般使用的是电子锁,没有锁孔,很难被人从外部破坏暴力开锁。但
是数字密码锁需要手动输入,需要一定的时间,当人流量大的时候,很容易造成
拥堵。而且输入数字密码,很容易被人偷窥或者通过指纹判断输入的密码,因此
并不适合管理众多的人群的进出。而刷卡式的感应锁使用的是射频识别技术,技
术成熟,安全性好,可以不用接触就可以验证开锁,识别速度快,而且使用的 IC
卡轻便,不容易被复刻,同时还可以在后台对 IC 卡的进出权限进行管理,十分
的安全方便。
为了使门禁系统更加智能化,人们研究出了指纹识别、人脸识别和瞳孔识别
等采用身份特征信息进行身份识别验证的技术。将身份特征作为验证方式十分快
速、简单、方便,但是将自己的身份特性信息交给他人管理,如果身份特征信息
泄露将造成很大的危害。指纹识别技术已经很成熟,但是因为需要进行接触识别,
并不方便。而且人员的指纹信息要保存在系统中,十分不安全,因此指纹识别验
证方式也不适合用于大量人员进出的区域的权限管理。
人脸识别验证技术因为人脸识别算法的研究,识别的速度越来越快,准确性
也缺来越高,逐渐变得流行起来。但是人脸识别系统硬件成本高,而为了确保人
脸数据的安全性,人脸信息存放也需要成本。同时,现在的生活中很多重要的事
务都需要进行人脸识别来验证个人身份。如果将自己的人脸信息用于公共场所比
如公司的门禁系统、小区的门禁系统总是给人一种不放心的感觉。现在也越来越
多的媒体报道关于人脸识别技术滥用造成的安全隐患,还有公众对人脸识别技术
的担忧。因此人脸识别技术还是需要被管控,即使用于门禁系统,也应该给予出
入人员其他选择,而不是不知不觉就被刷脸了。
通过分析各种验证方式可以发现他们各有优缺点,结合实际情况,本设计采
用了数字验证加 IC 卡验证的方式作为门禁系统的出入验证。IC 卡识别速度快,
作为门禁系统可以让人员快速的通过,为了弥补忘记携带 IC 卡的情况,添加了
数字密码验证的方式。同时提供了对 IC 卡注册和注销的功能,可以很方便的控
制区域的人员进出权限。
1.3 论文的主要内容
针对现在人们对安全、方便、智能化的门禁系统的需求,本设计是使用软硬
件结合的方式,研究了一种非接触式感应识别和数字密码验证方式结合的智能门
禁系统。该系统成本低、安全性好、使用方便、具有一定的市场价值。论文简单
的介绍了门禁系统的背景和意义和当前的研究现状,从而引出设计当前门禁系统
的意义。接着对该系统进行总体设计,包括硬件的组成,软件的总体逻辑结构。
之后介绍了具体硬件的选择和各个硬件的特点和原理,主要介绍了 STM32F103 芯
片的特点,射频识别模块 MRC522 的识别原理和通信原理,还有触摸屏特性和控
制原理。最后是软件部分的编写,各个功能的逻辑结构,在实物中进行功能调试
验证。最后对整个项目进行总结,对进一步优化做出期望。
2、系统总体设计
2.1 硬件的总体设计
为了使门禁系统智能化,需要一个主控芯片对整个门禁系统进行管理控制。
接着还需要对应的模块完成包括数字密码验证和 IC 卡识别验证的功能。当出现
非法闯入、验证失败等情况时还需要对操作人员进行警告。最后需要一个人机交
互界面方便管理人员对门禁系统进行管理控制。硬件总体设计框图如图 2.1 所示。
本设计采用 STM32F103 为主控芯片,控制其他模块,对信息进行处理运算。
STM32 相比于 51 单片机性能更快,引出的 GPIO 口更多,功能更加丰富,相比起
其他高性能的嵌入式设备具有功耗低,成本低的特点,更加适用于低成本的智能
化门禁系统。
MRC522 射频识别模块与主控芯片 STM32F103 通过 SPI 接口连接,MRC522 接
收主控芯片发送的命令,进行相应的操作,并将内部发送数据给主控芯片。同时
与搜索的 IC 卡进行通信,识别 IC 卡的信息。MRC522 采用的是 NFC 原理与 IC 卡
通信,有三轮认证机制,通信过程安全快速,同时拥有防冲突机制,可以在多张
卡的情况下选择卡片进行识别。同时 IC 卡相比对 ID 卡有密码验证方式,不容易
被复制,更加的安全。
触摸屏通过 8080 接口与 STM32F103 连接,触摸屏包含液晶显示屏和电阻屏。
液晶显示屏内带有控制芯片和显存,主控芯片只要向显存写入数据就可以在液晶
显示屏上显示内容,使用起来方便,电阻屏也自带有控制芯片,处理触摸数据,
可以降低对主控芯片性能的需求。管理人员可以通过按压电阻屏进行操作,并看
到液晶显示屏的显示信息,方便管理人员对门禁系统进行管理。触摸屏还可以用
于数字密码验证,解决用户忘记携带 IC 卡的情况,同时数字密码可以作为管理
人员的验证方式。为了更好地反馈操作结果,提供错误警告,使用 RGB 等和蜂鸣
器作为报警系统。
图 2.1 硬件总体框图
2.2 软件的总体设计
软件的总体逻辑结构根据不同的功能分成不同的部分,各个部分实现独立的
功能,通过主函数调用不同的模块,来完成整体的功能。软件总体框图如图 2.2
所示。
本次设计采用的是 ST 公司的标准库开发,很多函数直接调用标准库里已经
写好的函数,这样可以加快开发周期,同时使产品的兼容性更好。上电复位后,
首先进行系统的初始化,包括芯片的初始化和外设的初始化。芯片初始化一部分
是在标准库的启动文件中完成,这也是使用标准库开发的好处,一些底层的东西
可以不需要我们去配置,标准库已经写好了。
外设的初始化包括触摸屏模块、射频识别模块、RGB 灯、蜂鸣器等外设的初
始化。这些是部分可以自己编写,也可以使用 STM32CUBEMAX 软件可以进行简单
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