نظام البوابة الذكي (Smart Door System)

في هذه التجربة سنقوم بتصميم نظام ذكـي للبوابات يتميز بالمواصفات التالية :

• يستخدم تقنية الـ RFID للتعرف على الاشخاص المسموح لهم بالدخول . 
• يحسب عدد ساعات العمل لكل شخص عند الخروج .
• يمكن فتح البوابة من خلال البلوتوث للأجهزة الموثوقة .
• يمكن تغير وضع الجهاز ليفتح البوابة تلقائياً عن اقتراب شخص منه .
• يمكن وصله مع أنظمة الحماية, ليفتح البوابة مباشرة في حالات الطـوارئ .

---

• نحتاج الى :

• متحكم اردوينو (يفضل نوع ميجا ).
• قارئ بطاقات RFID13.56MHz , يمكن شراؤه من هـنـا.
• حساس حركة (PIR) , يمكن شراؤه من هـنـا .
• موديول بلوتوث , يمكن شراؤه من هـنـا.
• H-Bridge , يمكن شراؤه من هـنـا .
• Door Lock Actuator , يمكن شراؤه من هنا .
• مفتاح كهربائي (switch & push button  ).
• شاشة LCD16x2  يمكن شراؤها من هـنـا .
• مقاومات .
• ليدات (LEDs).
• طنان كهربائي (buzzer).
• لوحة تجارب و اسلاك توصيل .

- يمكنك قراءة هذا المقال عن كيفية شراء القطع الالكترونية بسهولة عبر الانترنت من هـنـا .

---

• وضـع RFID : 

تقنية (RFID) وتعني ( تحديد الهوية باستخدام موجاتالراديو Radio Frequency Identifcation ). وتعتبر أشهر تقنيات التواصل قريب المدى NFC.

تتكون هذه التقنية ببساطة من ثلاثة أجزاء رئيسية هي:  

1. البطاقة التي تحتوي على جهاز الإرسال والمعلومات.
2. جهاز القراءة والإرسال. 
3. برامج الحاسوب وقواعد البيانات.

تحتوى كل البطاقات (RFID tag) علي كود خاص مكون من خمسة خانات يتم بثها لاسلكيا بمجرد أن تقرب البطاقة من جهاز القراءة (RFID Reader) و تتعدد أشكال البطاقات و ألوانها على حسب الشركة المصنعة و الجهة التي تستخدمها

و جهاز القراءة هو من سيقرأ الكود الخاص بالبطاقة , ويرسله للآردوينو .

استخدمنا في هذه التجربة قارئ من نوع  RFID-RC522 RF IC Card Sensor  

يعتمد هذا الموديول على بروتوكول SPI  للتواصل مع الاردوينو .
لذلك نصل هذا الموديول مع المداخل الخاصة بالـSPI في الاردوينو كالتالي :

 MOSI : Pin 11 

 MISO : Pin 12 

 SCK  : Pin 13 

 SS  : Pin 10

RST : Pin 9

اضغط على الصورة لتكبيرها

- الموديول يعمل على 3.3V  و ليس 5V !

- مخرج IRQ يترك  بدون توصيل !

الموديول اصبح جاهزاً لبرمجتـه .

قم بتحميل المكتبة الخاصة بهذا الموديول من هـنـا .

ستقوم هذه المكتبة بقراءة البطاقة و تخزين الكود الخاص بها في مصفوفة مكونة من خمسة خانات اسمها rfid.serNum .

اذن يمكن قراءة رقم البطاقة و عرضها بسهولة (يمكن الاطلاع على الامثلة المرفقة بالمكتبة ) , لكن كيف سيتم التعرف على البطاقات الموثوقة , و كيف نحفظ وقت الدخول و الخروج ؟!

يجب ان يتم تخزين ارقام البطاقات الموثوقة مسبقاً في كود الاردوينو.

و عند قراءة اي بطاقة يقارنها الاردوينو مع ارقام البطاقات المخزنة , و في حال وجود تطابق تكون هذه البطاقة موثوقة و يُفتح لها الباب ! 

و يجب ايضأ تخزين وقت الدخول لهذه البطاقة , و عند الخروج نطرح وقت الخروج من وقت الدخول لمعرفة عدد ساعات العمل !

لاحظ انه يجب ايضاً تحديد حالة البطاقة (دخول أو خروج ) لتحديد الوظيفة التي سينفذها الاردوينو .

يبدو ان لدينا كمية كبيرة من البيانات يجب ان نتعامل معها , و اسهل طريقة لترتيبها هو وضعها في مصفوفة .( كما في الشكل ) .

نعمل مصفوفة مكونة من 7 صفوف , و اي عدد أعمدة تريد ( يجب ان يكون عدد الاعمدة اكبر من عدد البطاقات ) , كل عامود سيمثل ارقام البطاقة و بياناتها .

اول خمسة صفوف ستحتوي على رقم البطاقة .

الصف السادس سيحتوي على حالة البطاقة ( 1=في الداخل , 0 = في الخارج).

الصف السابع يحتوي على زمن الدخول .

هذا مثلاً كود عمل مصفوفة مكونة من 7 صفوف و 50 عامود اسمها Employee .

int Employee[7][50];

و لنخزن في العامود الاول رقم البطاقة الاولى في اول خمسة صفوف .

(العد في لغة C++ يبدأ من الصفر , أي ان العامود الاول رقمه 0 )

 Employee[0][0] =110;
 Employee[1][0] =241;
 Employee[2][0] =127;
 Employee[3][0] =161;
 Employee[4][0] =65;

و لنجعل الاردوينو يقارن رقم بطاقة معينة مع ارقام البطاقات المخزنة ( في rfid.serNum ذكرناها سابقا) .
سنستخدم جملة For للمرور على جميع الأعمدة ...
و جملة IF لمقارنة ارقام البطاقت معاً ..  
كالآتي :

 for ( Employee_Number=0 ; Employee_Number<50 ; Employee_Number++ ) {
        
      if(      Employee[0][Employee_Number] == rfid.serNum[0]&&
               Employee[1][Employee_Number] == rfid.serNum[1]&&
               Employee[2][Employee_Number] == rfid.serNum[2]&&
               Employee[3][Employee_Number] == rfid.serNum[3]&&
               Employee[4][Employee_Number] == rfid.serNum[4])
               {
                //do something  
                break ;}

 }   
 }

اذاً .. عند تقريب بطاقة مـا من الموديول , يقرأ الاردوينو ارقام هذة البطاقة و يخزنها في (rfid.serNum ) , ثم يدخل الى جملة For و يبدأ بمقارنة هذه الارقام مع الارقام المخزنة

في مصفوفة (Employee).
اذا لـم يجد تطابق (يعني البطاقة ليست موثوقة ) لا يقم بعمل شيء .

اما اذا وجد تطابق مع احد البطاقات المخزنة , يقوم اولاً بفتح الباب , ثم و حسب حالة البطاقة ينفذ وظيفة معينة . 
اذا كانت حالة البطاقة دخول : سيخزن زمن الدخول , و يعرض Welcome و رقم الموظف على الشاشة !
اما اذا كانت حالة البطاقة خروج : سيطرح زمن الدخول من الوقت الحالي و يعرض وقت العمل على الشاشة .

يمكن تنفيذ ذلك من خلال الكود التالي :

- قيمة X هي رقم البطاقة التي حصل عندها التطابق.

void a(int x){
  
digitalWrite(buzzer,1);//تنبيه بسيط
delay(100);
digitalWrite(buzzer,0);
delay(100);
digitalWrite(LED_1,0);

  if (Employee[5][x] == 0)  {
      Employee[5][x] = 1;
      Employee[6][x] = (millis()/60000 );
      lcd.clear() ;
      lcd.setCursor(0, 0);
      lcd.print("WELCOME : ");
      lcd.setCursor(10, 0);
      lcd.print(x);
      OPEN();
      delay(3000);
      CLOSE();
               }

      
  else if (Employee[5][x] == 1)   {
      Employee[5][x] = 0;
      start_time = Employee[6][x] ;
      now = millis()/60000;
      work_time = now - start_time  ;
      Employee[6][x] = 0;
      lcd.clear() ;
      lcd.setCursor(0, 0);
      lcd.print("GOODBYE : ");
      lcd.setCursor(0, 1);
      lcd.print(work_time);
      lcd.setCursor(10, 0);
      lcd.print(x);
      lcd.setCursor(8, 1);
      lcd.print("minute");
      OPEN();
      delay(3000);
      CLOSE();
           }

} 

يجب ان نتذكر ان هذا النظام يمكن تشغيله باكثر من وضع ( وضع الطوارئ  وضع حساس الحركة , البلوتوث ) ,و يتم التنقل بينهم من خلال المفاتيح , لذلك يجب ان نتأكد من حالة المفاتيح قبل ان يعمل كود الـ RFID .. 

---

• وضع PIR : 

في هذا الوضع ستفتح البوابة تلقائاً عند اقتراب شخص منها .
عن وجود حركة (اقتراب شخص ) سيعطي الحساس اشارة (HIGH) , ثم يقوم الاردوينو بقتح البوابة لمدة زمنية ثم اغلاقها . 

• اولاً يتأكد من انه لا توجد اشارة طوارئ (button) .
•  يتأكد ان المفتاح على وضع الـ PIR .
• يعرض على الشاشة الوضع الحالي . 
• الحساس موصول على المدخل  A3 .

while( digitalRead(button)== LOW && digitalRead(main_button)==  HIGH ){ 
  lcd.clear() ;
  lcd.print("Smart Door System");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("      PIR");

  if (digitalRead(A3)){  
    OPEN();
    delay(10000);
    CLOSE();
  }

delay(1000);
}

---

• وضع البلوتوث :

وضع البلوتوث يعمل مع وضع الـ RFID , و الهدف منه هو تجاوز حماية الـRFID و فتح البوابة دون الحاجة لبطاقة .

توصيل موديول البلوتوث كالتالي :

و يمكن اختيار اي تطبيق لاستخامه . في تطبيق Blue Control مثلاً سوف نستخدم الزر في الوسط لفتح البوابة . ( سيرسل التطبيق حرف C عند الضغط عليه ) 

ليكون الكود كالتالي : 

- لاحظ ان موديول البلوتوث موصول على المداخل 0 و1 الخاصة بالتواصل التسلسلي في الآردوينو , لذلك يجب فصلها عند تحميل الكود على الاردوينو .

if (Serial.available()) {
   int data = Serial.read();
   if ( data == 'C' ){
     OPEN();
     delay(3000);
     CLOSE();
   
   }
 }

---

• وضع الطوارئ :

ببساطة سيقوم الاردوينو في هذا الوضع بفتح البوابة حال وجود اشارة طوارئ .

في هذه التجربة اشارة الطوارئ قادمة من مفتاح كهربائي (push button) , لكن يمكن ربط الجهاز مباشرة مع انظمة الحماية في المبنى .

 while(digitalRead(button)== HIGH){
  E_OPEN();
  digitalWrite(LED_1,1);
  digitalWrite(buzzer,1);
  delay(50);
  digitalWrite(LED_1,0);
  digitalWrite(buzzer,0);
  delay(50);
  lcd.clear() ;
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Emergency");
}

---

• قفل البوابة 

لإغلاق و فتح البوابة سنتحكم بالقفل الخاص بها , باستخدام Door Lock Actuator الخاص بأقفال السيارات  .

 و هو عبارة عن محرك 12V موصول بآلية معينة لتحويل حركته الدائرية لحركة افقية .

سنتحكم به من خلال H-Bridge بالاتجاهين للداخل و الخارج .

و يتم توصيله كالتالي :

اضغط على الصورة لتكبيرها

و الآن سنكتب كود لفتح البوابة و اغلاقها ..

• بعد اغلاق او فتح القفل سيستمر المحرك بسحب تيار لكن بدون حركة , و بالتالي تبدأ حرارته و حرارة الـ H-Bridge بالارتفاع , لذلك يجب قطع التيار عنهم بعد مدة قصيرة ( هذا سبب استخدام void OFF )!
• IN1 و IN2 موصولين على A4 و A5  في الاردوينو

void CLOSE (){
  // void this part to close the door .
  digitalWrite(IN1,1);
  digitalWrite(IN2,0);
  delay(100); 
  OFF();
}

void OPEN (){
  // void this part to open the door .
  digitalWrite(IN1,0);
  digitalWrite(IN2,1);
  delay(100); 
  OFF(); 
}

void OFF (){
  digitalWrite(IN1,0);
  digitalWrite(IN2,0);
  
}

void E_OPEN (){  // emergency open
  // void this part to open the door .
  digitalWrite(IN1,0);
  digitalWrite(IN2,1); 
}