《基于ESP8266和芯片和光学指纹模块的智能门禁系统设计6100字（论文）》

基于ESP8266和芯片和光学指纹模块的智能门禁系统设计摘要随着现代科学技术的不断进步，智能安全在人们心中越来越重要。而现在的智能门禁系统也是有许多种，有些单一的门禁锁，也有一些功能结合体的门禁锁。然而在我们生活中大多数是这种功能结合起来的门禁系统。而我此次的本次毕业设计是基于Arduino的特点，提出了一种简捷的，灵活的，成本低的智能门禁系统。系统采用wifi芯片esp8266-12f为主控处理器、AS608光学指纹模块和液晶显示器，设计一个通过指纹识别或物联网平台远程解锁的门禁系统。利用AS608光学指纹模块识别指纹，esp8266连接blinker物联网平台远程控制，对门禁系统进行解锁，或者通过输入正确的密码来进行解锁关键词：指纹门禁系统Arduino单片机目录第1章引言 21.1背景和意义 21.2国内外智能门禁发展现状 2第2章Arduino 32.1Arduino概念 32.2ArduinoIDE的技术优势 42.3多种Arduino开发板的比较 4第3章智能门禁系统的硬件设计 53.1智能门禁系统原理及构成 53.2ArduinoUno控制器的构造及原理 53.3模块的选择及原理 73.4整体的电路设计 9第4章系统程序设计与调试方法 104.1系统程序设计 104.2下机位硬件调试 144.2.2AS608指纹识别模块调试 144.2.2LCD1602显示屏的调试 14第5章结论 15参考文献 16第一章引言1.1背景和意义改革创新我国开放以来,我国小型专用锁具产品生产制造设备锁行业不断壮大和发展迅速,从最初包括各种类型的挂锁、执手锁、抽斗钥匙工具锁等各种类型的传统小型专用锁具逐步发展壮大至如今包括各种类型的汽车锁具,包括各种类型的钥匙工具锁、柜锁、自行车锁的钥匙工具锁、门闸等各种类型的具有专门为开锁工具而设计和使用的新型特殊专用锁具。随着我们城市国民经济快速健康稳定的发展和我们整个城市居民家中的日常生活以及其他居民生产条件质量的不断稳步提高,人们更加密切地重视关注室内安全公共财产和我们整个城市居民每一个人身的公共生命财产保护的安全性,据我们的调查,当前六至七成城市居民家中所需要投入使用的的是弹子实形锁芯,而不是那种新型号的新型弹子实形实体式锁芯,该种新型的弹子实形锁芯的基本工作原理结构和具体的工作功能原理已经被一些罪犯不法分子专门深入研究的一清二楚,开启这种新型的弹子实形锁体的大闸门的工作时间也由几分钟慢慢地延长转变为几秒钟,这种锁就像一个个如同虚设,给我们的家庭安全和财产造成了严重的隐病害所致。同时,对室内门锁在使用中的便利性也提出了新的要求。普通用户在自己的家中尚未真正体会得到智能锁为我们的生活所带来的方式和便捷性,这主要归功于国内很多消费者对智能锁的接受程度不高以及智能锁其他产品的价格昂贵等问题。所以研制一款价格低廉、方便实用、安全可靠的高智能型电子锁十分具有重大的现实意义。1.2国内外智能门禁发展现状国外:20世纪70年代,美国、意大利、加拿大等在全国各地的家用微电子制造技术也在快速发展不断地进步，并且家用电子以及通讯信息技术也有着非常快速的发展,这些快速的发展也同时为家用电子安全锁的开发研制与设计产生应用打下了坚实的技术基础,并且家用电子安全锁在欧美、日韩等发达国家和边远地区都已经得到了广泛的应用普及,特别是在当时的欧日韩国家用电子锁的生产规模化和普及率就已经远远超过了10%。本世纪早期,欧美各国加密电子技术已经逐渐趋近成熟,电子化的密码锁已经逐渐开始被广泛应用于各种类型智能化的家庭门禁系统中,密码锁最初被作为人们广泛使用的门禁场合主要包括有门锁保险箱、金库等。随着现代科学信息技术的进一步不断发展和成熟,电子锁逐渐完全替换了一些传统的小型机器人电子锁,在一些韩国和日本农村,使用这种新型电子锁的机器人们及其身影随处可见。国内:进入至20世纪之后,我国的所有智能化家用电子门和锁相关制造技术行业已经开始得到了快速的稳步发展,许多门锁企业逐步已经开始从目前传统的带有卡片式各种智能化家用电子锁和带有手机信号密码式各种智能化家用电子锁向带有手机密码指纹式各种智能化家用电子锁的技术转移,为未来智能化家用电子锁的逐渐进入普及家居生活使用领域打下了坚实的技术基础,2000年至2003年,我国的所有智能化家用电子门和锁只在极少数高端住宅小区才已经能够完全得以批量投入使用,而且目前专门从事生产各种智能化家用电子锁的专业公司总体规模一般不大,到了2006年,企业的所有智能化家用电子门和锁相关产品已经基本得以了大批量生产,在目前中国国内高端小区房屋装饰市场上的产品使用量也慢慢地得到增加。2007年至2010年,国内的大型智能手机专业电子化门锁制造行业在国际市场上已经开始出现了一个长期井喷式的发展现象,已经从企业模仿、抄袭国外的名牌产品之路开始逐步走上了企业自主创新研发之路,已经进一步充分明确了未来行业发展的战略方向,最具具有国际代表性的例子就是2008年金牌全国首个大型智能手机专业指纹锁生产制造配套工程项目正式落户浙江杭州,以及2008年金牌五指码、普罗巴克等二十多家门锁企业都逐步成为了曾经举办2008年北京奥运会和杭州亚运村的大型智能手机专业电子化门锁服务提供者。从2010年之后,我国的企业智能手机专用电子锁已经由以前的智能指纹锁迅速逐步发展起来上升到并成为了一个现代化的智能手机电子锁,企业员工数量也迅速地逐步扩大至两千多家。这一时期的现代智能手机锁除了基本继承着中国传统的自动机械锁、ic和磁卡锁等即动锁代码之外,将先进的手机生物特征识别智能技术广泛地深入运用融合到了一些智能化的锁中,例如:手机人脸识别和手机虹膜指纹识别等智能技术,同时在这些现代新型智能锁的整体外表装饰设计上也重新加上了许多个性化的设计元素。第二章Arduino2.1Arduino概念Arduino对于刚入门的人来说比较简单，也容易上手，开发板使用的是ArduinoUNO开发环境使用ArduinoIDE,这个主板对于入门的人来说简单实用，基本的开发功能也是具备的，价格也比较合适，而这个主板也是来自意大利米兰的一位老师和它的学生研发出来的开发板，而且这些用Arduino的课题项目不仅可以使用本身，也可以通过电脑端的其他系统来使用，从Arduino发展到现在，已经被许多领域得到了应用，发展前景良好。2.2ArduinoIDE的技术优势ArduinoIDE有以下几点优势便捷灵活，方便上手对于初学者很容易理解和操作。有许多的接口，像数字，模拟等I/O端口。它的编程语言也是一些简单易懂的函数，没有太过复杂不容易理解的程序。ArduinoIDE编程环境自己可以有一定程度的自由发挥和拓展。学习Arduino的时候我们要清楚地了解它的各个接口的功能就可以了。Arduino软件语言对于刚入门的人来说很容易理解，也很容易上手操作，没有复杂的程序语言，只需要有一定的C+的基础就可以了。开发环境完善，支持多平台的开发2.3多种Arduino开发板的比较 Arduino开发板有许多种，但是针对本次系统开发基于一些常用的开发板做了一下比较以选出一种合适的开发板如图表2-1所示。名称UNOr3Leonardo101（Curie）Mega微处理器ATmega328PATmega32u4英特尔居里ATmega2560时钟速度（MHz）16163216数字I/O引脚1620140闪存（kb）3232196256优点经典，适合入门便宜，适合做模拟键盘运算性能强大，适用于机器学习空间大，IO口多适用于物联网项目 表2-1开发板比较基于这些比较本次系统开发选择的是ArduinoUNOr3开发板。第3章智能门禁系统的硬件设计3.1智能门禁系统原理及构成系统以arduinoUNO开发板为核心元件，通过三种方式解锁。一是输入正确的密码开门。二是通过物联网网络解锁，手机或电脑访问esp8266联网后的ip地址进行控制开门关门。三是通过输入指纹与储存的信息是否匹配，成功则门被打开。系统框图如图3-1所示驱动模块按键模块驱动模块按键模块指纹模块Esp8266模块ArduinoUNO开发板指纹模块Esp8266模块ArduinoUNO开发板显示模块存储模块显示模块存储模块 图3-1系统框图 3.2ArduinoUno控制器的构造及原理Arduino是基于ATmega328p的单片机开发板。它有14个数字输入/输出引脚、6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。图3-2ArduinoUNO控制器图3-3引脚图控制器概要：（一）处理器：ATmega328工作电压：5V输入电压（推荐）：7~12V数字I/O引脚：14（其中6路提供PWM输出）PWM数字I/O引脚：6模拟输入引脚：6每个I/O引脚的直流电流：20mA3.3V引脚的直流电流：50mA闪存：32kb（ATmega328p），由bootloader使用的0.5KBSRAM：2KB（ATmega328p）EEPROM：1KB（ATmega328p）时钟速度：16MHzLED-BUILTIN：13（二）电源供电方式也有很多，这也方便了我们的系统开发。通过USB接口供电；通过DC电源输入接口供电，电压要求7~12V；通过电源接口处5V或者VIN端口供电，5V端口处供电必须为5V，VIN端口处供电为7~12V。（三）存储空间Arduino的储存空间可以通过另外添加芯片来增大它的储存空间，ArduinoUNO的存储空间有是通过ATmega328来存储信息的，它的存储方式有三种：Flash：其中的容量一部分作为内部储存，一部分可以自己储存信息这也极大地方便了我们。SRAM：当开发板断电之后它的储存信息会丢失，也就是相当于电脑的内部储存，在存储信息的时候从内部开辟一条存储信息的通道。EEPROM：它有的优势就是在开发板断电或者复位的时候，存储的信息不会丢失，我们自己就可储存信息。3.3模块的选择及原理（一）按键模块按键模块采用是4x4矩阵模块，工作原理：它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每交叉点上，设置一个按键。特点：（1）：体积小（2）：节省空间（3）：使用方便图3-4矩阵按键电路 （二）LCD1602显示器这显示器是有16个引脚，应用广泛。引脚如表3-1所示。编号符号 引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DataI/O2VDD电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5DataI/O5R/W读/写选择端（H/L）13D6DataI/O6E使能信号14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极表3-1引脚（三）AS608光学指纹模块此模块采用的是AS608指纹识别芯片，它的内部含有DSP的运算单元，也同时包含了指纹识别算法，对于采集的图像能够迅速的识别出来指纹的特征信息。模块匹配了串口、USB通讯接口，我们只需要通过简单的串口、USB按照通讯协议就可以控制模块。模块的引脚如表3-2所示：序号名称说明1Vi模块电源正输入端2Tx串行数据输出。TTL逻辑电平3Rx串行数据输出。TTL逻辑电平4GND信号地。内部与电源地连接5WAK感应信号输出，默认高电平有效6Vt触摸感应电源输入端，3V供电7U+USBD+8U-USBD-图3-5原理图 表3-2引脚说明AS608光学指纹模块的参数：工作电源：DC3.6至6.0V电流：<120mA背光颜色：绿色接口：UART波特率：9600安全级别：五级错误拒接率（FRR）：<1.0%（安全级别3）能够储存127个指纹3.4整体的电路设计在在设计电路的时候，需要将各个组成部件正确的连接到Arduino开发板上，组成一个完整的电路。LCD1602的VSS，VEE,RW都接地，也是为了显示更加的清晰，VEE需要串一个电位器调节电阻或者直接串上1K-2K左右的电阻，LCD1602的VDD端接开发板5V电源；舵机红线接开发板的5V电源，灰线接地；AS608指纹模块Vi接开发板的3.3V电源端，GND端接开发板的地。如图3-6所示 图3-6实物连接图第4章系统程序设计 和调试方法4.1系统程序设计在对智能门禁系统的功能进行测试之前，首先应该检查一下各个器件模块是否正确的连接在了ArduinoUNOr3开发板上。然后通过对整个系统的软件进行调试，检查并改正程序代码中的错误部分，这才能使程序成功的下载到开发板上，并且完成对门锁完成打开或者关闭的动作。在调试整个系统之前，应该将指纹识别模块和舵机以及液晶显示屏连接到ArduinoUNOr3开发板上，然后将指纹识别的IDE程序加到主程序中最后下载到开发板上。然后进行系统的调试。系统硬件实物图如图4-1所示 4-1硬件实物图系统程序设计时，首先需要下载一个指纹传感器库，在下载完成后将会的到一个zip文件。然后我们需要将指纹模块连接到Arduino上，下载指纹代码到Arduino开发板上，并且以9600的波特率打开串行监视器，这个时候可以进行指纹的输入了，直接将手放在扫描仪上，然后按照串行监视器的步骤进行才做就可以了。这里需要将同一个手指的指纹扫描两次，成功后指纹将被储存。密码解锁先写出设置密码的程序，当输入正确的密码时舵机工作门打开，输入密码有三次机会。系统流程图如图4-2所示开始开始按键检测按键检测密码设置子程序密码设置子程序指纹检测指纹检测是否重设密码是否重设密码否 是 是否匹配访问esp8266创建的网站 否是否匹配访问esp8266创建的网站输入密码输入密码错误次数检验 错误次数检验 密码是否正确开门密码是否正确开门 否 是关门关门 舵机转动 是 舵机转动 结束结束 图4-2系统流程图 （一）设置新密码的子程序进入系统之后输入正确的旧密码，看输入的密码是否正确，正确的话可以直接设置新的密码，如果密码输入错误的话在此进行输入，当错误的次数达到了三次按下键盘上的A键设置新的密码，设置新的密码后，输入新密码舵机转动们被打开。设置密码的流程图如图4-3所示。错误检验次数返回主程序输入新密码密码是否正确输入旧密码开始错误检验次数返回主程序输入新密码密码是否正确输入旧密码开始 否 是 图4-3密码设置流程图（二）检验密码输入错误的次数当输入的密码错误次数达到了三次的话，在液晶显示屏上会显示警告，但是如果错误次数达不到三次的话，那么错误的次数将会清零，返回到了输入密码的界面。检验流程图如图4-4所示开始开始错误次数清0Right-flag=1？错误次数清0Right-flag=1？是错误次数加1 错误次数加1错误次数为3 否错误次数为3返回密码输入界面屏幕显示警告 是返回密码输入界面屏幕显示警告 否 图4-4检验流程图4.2下机位硬件调试（一）：检查硬件先查看自己的电路是否连接正确，需要仔细检查所有的期间和线路，确保一切都正确之后检查电源如果电路有问题的话需测量电源的引脚是否有电压，并且做接线一致性的测试。（二）进行代码调试，在编写代码时应该遵循一些基本原则和最佳实践：（1）以模块化编写代码并且对他们进行测试（2）以变量和函数提供有意义的名称（3）使用功能（4）在编写的过程中使用常量而不是数字（5）确保代码具有适当的缩进并且始终保持可读4.2.1AS608指纹识别模块调试首先在计算机上安装ArduinoIDE的数据驱动，然后需要把将开发板连接到电脑上，选择正确的数据采集接口，然后将指纹识别模块的zip文件下载到IDE开发环境中。在AS608指纹识别模块中两条是电源引脚，我们要在电源引脚提供3.3V的电压，在输出引脚接收信息。将AS608指纹识别模块与开发板连接，开发板的I/O2端口连接指纹模块的TXD端，I/O3端口连接指纹模块的RXD端。将写好的程序下载到开发板上，就可以了。在这里波特率设置为9600，实现了AS608指纹识别模块的对输入好的指纹识别的功能，在识别中可以检测出指纹与录入的指纹是否匹配，成功则门被打开。4.2.2LCD1602显示屏的调试首先在计算机上安装ArduinoIDE的数据驱动，然后需要把将开发板连接到电脑上，选择正确的数据采集接口，开发板的AD0-AD3端口连接LCD1602的D4-D7端口，AD4和AD5分别连接LCD1602的E端口和RS端口，LCD1602的VDD端接开发板上5V电源。然后将写好的LCD1602显示屏程序下载到开发板上，观察显示屏。结果如图4-5所示 4-5实物调试结果图第5章结论在开发智能门禁系统设计的过程中，我深刻认识到整个软件开发过程中分析人们的需是非常重要的。同时也明白了大学课堂上基础知识的重要和必要性。首先通过对智能门禁系统的国内外发展进行分析，然后做出了基于ES8266的智能门禁系统的设计。在此之后也完成了对系统的硬件和