Цифровой кодовый замок на Raspberry Pi: схема и программа

Безопасность с каждым годом играет все более значимую роль в современном обществе. Кодовые замки, датчики движения, радиочастотные метки, лазерные системы – это лишь неполный перечень элементов, применяющихся в современных системах безопасности.

В данной статье мы рассмотрим простейший кодовый замок на основе платы Raspberry Pi, в котором пароль доступа будет вводиться с помощью модуля цифровой клавиатуры. Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали создание подобного кодового замка на основе платы Arduino.

Необходимые компоненты

Плата Raspberry Pi (с установленной SD картой) (купить на AliExpress).
Модуль клавиатуры (Keypad Module) (купить на AliExpress).
Зуммер (Buzzer) (купить на AliExpress).
ЖК дисплей 16×2 (купить на AliExpress).
Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
Блок резисторов 10 кОм.
Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
Светодиод (купить на AliExpress).
CD/DVD привод, который будет использоваться в качестве двери/ворот.
Источник питания с напряжением 5 В.
Батарейка на 12 В.
Драйвер двигателя L293D (купить на AliExpress).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Подключение клавиатуры 4×4 к Raspberry Pi

В данном проекте мы для подключения клавиатуры (клавишной панели) 4×4 к плате Raspberry Pi будем использовать технологию мультиплексирования. Суть ее заключается в следующем. Наша клавиатура 4х4 содержит 16 кнопок (клавиш). В обычном режиме нам для их подключения понадобилось бы 16 контактов, но с использованием технологии мультиплексирования мы задействуем для этой цели всего 8 контактов.

Поэтому технология мультиплексирования является эффективным способом экономии выводов микроконтроллера. Основной принцип этой технологии заключается в том, что сначала сканируется строка, а затем столбец. В программе аналогичного кодового замка на Arduino мы использовали специальную библиотеку для работы с клавиатурой (#include <Keypad.h>), поэтому нам не нужно было заморачиваться с ручным (самостоятельным) программированием технологии мультиплексирования. Но в этом проекте мы не будем использовать никакой подобной библиотеки и вручную, «коротким» способом запрограммируем технологию мультиплексирования.

Схема проекта

Схема цифрового кодового замка на Raspberry Pi представлена на следующем рисунке.

Как видите, схема достаточно проста и содержит плату Raspberry Pi, модуль клавиатуры, зуммер, DVD/CD привод в качестве ворот и ЖК дисплей. В этой схеме плата Raspberry Pi управляет всеми процессами в схеме: ввода пароля с клавиатуры, сравнение паролей, включение/выключение зуммера, открытие/закрытие ворот и отображение статусных сообщений на ЖК дисплее. Клавиатура (Keypad) используется для ввода пароля. Зуммер используется для целей индикации. ЖК дисплей используется для отображения информации о состоянии замка.

Контакты столбцов клавиатуры непосредственно подключены к контактам GPIO 22, 23, 24, 25 платы Raspberry Pi, а контакты строк клавиатуры – к контактам 21, 14, 13, 12 платы. ЖК дисплей подключен к Raspberry Pi в 4-битном режиме. Контакты управления ЖК дисплеем RS, RW и En непосредственно подключены к контактам 11, GND и 10 платы Raspberry Pi. Контакты данных ЖК дисплея D4-D7 подключены к контактам GPIO 6, 15, 4 и 1 платы Raspberry Pi, а зуммер подключен к ее контакту 8. Драйвер двигателей L293D подключен к контактам 28 и 29 платы. Батарея 12 В подключена к контакту 8 микросхемы L293D.

Объяснение работы проекта

Принцип работы рассматриваемого нами цифрового кодового замка достаточно прост. После запуска программы на Raspberry Pi на экране ЖК дисплея показывается приветственное сообщение, после этого на нем в первой строке показывается сообщение “A- Input Password” (введите пароль), а на второй – “B- Change Passkey” (измените пароль). После этого пользователь должен нажать одну из кнопок на клавиатуре – A или B.

Теперь, если пользователь хочет открыть ворота/замок, он должен нажать ‘A’ на клавиатуре, после чего система попросит его ввести пароль. Пароль по умолчанию – “1234”. Пользователь вводит пароль и система проверяет корректен он или нет:

Если пользователь ввел правильный пароль, то система открывает ворота/замок.
Если пользователь ввел неправильный пароль, то включается зуммер и на экране дисплея высвечивается сообщение “Access Denied” (доступ запрещен).

Структурная схема взаимодействия элементов проекта показана на следующем рисунке.

Если пользователь хочет изменить пароль, то ему необходимо нажать на клавиатуре клавишу ‘B’, после чего система попросит его ввести текущий пароль (“Current Password” или “Current Passkey”). Пользователь вводит пароль и система проверяет его на корректность:

Если пароль правильный, то система предложит пользователю ввести новый пароль (“New Password”).
Если пароль неправильный, то включается зуммер и на экране ЖК дисплея показывается сообщение о неправильно введенном пароле (“Wrong Password”). После этого пользователь должен заново повторить весь процесс чтобы изменить пароль.

Открытие и закрытие ворот/замка в нашем проекте – это ничто иное как вращение двигателя по часовой и против часовой стрелки. Для простого проекта можно использовать обычный двигатель постоянного тока, также можно применить и сервомотор или шаговый двигатель, однако в этом случае понадобится немного изменить код программы.

Также можно улучшить этот проект замка если использовать настоящий электронный замок (например, такой, какой был использован в этой статье). В своем составе он имеет электромагнит, который удерживает дверь в закрытом состоянии когда по его обмотке не протекает тока. Когда же на его обмотку подается ток, то замок втягивает личинку внутрь себя и, таким образом, дверь открывается.

Объяснение программы для Raspberry Pi

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Программа для данного проекта написана на языке C, поэтому она во многом похожа на аналогичные программы для плат Arduino. Для написания этой программы необходимо также установить библиотеку wiringPi для работы с контактами ввода/вывода (GPIO).

Первым делом в программе нам необходимо подключить используемые библиотеки и определить (задать) контакты, к которым подключены ЖК дисплей, зуммер, светодиод и микросхема драйвера двигателей.

#include<wiringPi.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
 
#define buzz 8
#define m1 29
#define m2 28
#define led 27

#define RS 11
#define EN 10
#define D4 6
#define D5 5
#define D6 4
#define D7 1

#include<wiringPi.h>

#include<string.h>

#include<stdio.h>

#define buzz 8

#define m1 29

#define m2 28

#define led 27

#define RS 11

#define EN 10

#define D4 6

#define D5 5

#define D6 4

#define D7 1

После этого мы с помощью массивов зададим номера контактов, к которым подключены строки и столбцы клавиатуры и зададим массив для хранения пароля.

char pass[4];   
char pass1[]={'1','2','3','4'};
int n=0;
char row[4]={21, 14, 13, 12};
char col[4]={22, 23, 24, 25};

char num[4][4]={
                  {'1','2','3','A'},
                  {'4','5','6','B'},
                  {'7','8','9','C'},
                  {'*','0','#','D'}
                 };

char pass[4];

char pass1[]={'1','2','3','4'};

int n=0;

char row[4]={21, 14, 13, 12};

char col[4]={22, 23, 24, 25};

char num[4][4]={

{'1','2','3','A'},

{'4','5','6','B'},

{'7','8','9','C'},

{'*','0','#','D'}

};

Затем мы запрограммируем несколько функций для работы с ЖК дисплеем. Функция void lcdcmd будет использоваться для передачи команд на ЖК дисплей, функция void write – для передачи данных на ЖК дисплей, а функция void print – для передачи строки на ЖК дисплей.

void print(char *str)   
 {
   while(*str)
   {
    write(*str);
    str++;
   }
 }

void print(char *str)

{

while(*str)

{

write(*str);

str++;

}

Функция void setCursor используется для установки позиции курсора на экране ЖК дисплея.

void setCursor(int x, int y)   
 {
   int set=0;
   if(y==0)
   set=128+x;
   if(y==1)
   set=192+x;
   lcdcmd(set);
 }

void setCursor(int x, int y)

{

int set=0;

if(y==0)

set=128+x;

if(y==1)

set=192+x;

lcdcmd(set);

}

Функция void clear() используется для очистки экрана ЖК дисплея, а функция void buzzer() – для включения сигнала зуммера.

Функции void gate_open(), void gate_stop() и void gate_close() используются для управления воротами/замком (CD приводом).

void gate_open()    
 {
   digitalWrite(m1, LOW);
   digitalWrite(m2, HIGH);
   delay(2000);
 }

 void gate_stop()
 {
   digitalWrite(m1, LOW);
   digitalWrite(m2, LOW);
   delay(2000);
 }

void gate_close()
 {
   digitalWrite(m1, HIGH);
   digitalWrite(m2, LOW);
   delay(2000);
 }

void gate_open()

{

digitalWrite(m1, LOW);

digitalWrite(m2, HIGH);

delay(2000);

}

void gate_stop()

{

digitalWrite(m1, LOW);

digitalWrite(m2, LOW);

delay(2000);

}

void gate_close()

{

digitalWrite(m1, HIGH);

digitalWrite(m2, LOW);

delay(2000);

}

Следующая функция используется для инициализации ЖК дисплея в 4-битном режиме.

void begin(int x, int y)   
 {
   lcdcmd(0x02);
   lcdcmd(0x28);
   lcdcmd(0x06);
   lcdcmd(0x0e);
   lcdcmd(0x01);
 }

void begin(int x, int y)

{

lcdcmd(0x02);

lcdcmd(0x28);

lcdcmd(0x06);

lcdcmd(0x0e);

lcdcmd(0x01);

}

Функция void keypad() используется для подключения клавиатуры к плате Raspberry Pi по «упрощенному варианту».

void keypad()    
{
   int i,j;
   int x=0,k=0;
   delay(2000);
   while(k<4)
   {                                           
    for(i=0;i<4;i++)
    {
      digitalWrite(col[i], LOW);
      for(j=0;j<4;j++)                
      {
        if(digitalRead(row[j])==0)
        {
          setCursor(x,1);
          .... ......
          ..... ......

void keypad()

{

int i,j;

int x=0,k=0;

delay(2000);

while(k<4)

{

for(i=0;i<4;i++)

{

digitalWrite(col[i], LOW);

for(j=0;j<4;j++)

{

if(digitalRead(row[j])==0)

{

setCursor(x,1);

.... ......

..... ......

Исходный код программы на C

К коду программы комментариев нет, но отдельные ее части подробно обсуждены в предыдущей части статьи.

#include<wiringPi.h>    
#include<string.h>
#include<stdio.h>
 
#define buzz 8
#define m1 29
#define m2 28
#define led 27
#define RS 11
#define EN 10
#define D4 6
#define D5 5
#define D6 4
#define D7 1
char pass[4];
char pass1[]={'1','2','3','4'};
int n=0;
char row[4]={21, 14, 13, 12};
char col[4]={22, 23, 24, 25};
char num[4][4]={
                  {'1','2','3','A'},
                  {'4','5','6','B'},
                  {'7','8','9','C'},
                  {'*','0','#','D'}
                 };
void keypad();
void buzzer();
void lcdcmd(unsigned int ch)
  {
    int temp=0x80;
    digitalWrite(D4, temp & ch<<3);    
    digitalWrite(D5, temp & ch<<2);
    digitalWrite(D6, temp & ch<<1);
    digitalWrite(D7, temp & ch);
    digitalWrite(RS, LOW);
    digitalWrite(EN, HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(EN, LOW);
    digitalWrite(D4, temp & ch<<7);
    digitalWrite(D5, temp & ch<<6);
    digitalWrite(D6, temp & ch<<5);
    digitalWrite(D7, temp & ch<<4);
    digitalWrite(RS, LOW);
    digitalWrite(EN, HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(EN, LOW);
  }
void write(unsigned int ch)
  {
    int temp=0x80;
    digitalWrite(D4, temp & ch<<3);
    digitalWrite(D5, temp & ch<<2);
    digitalWrite(D6, temp & ch<<1);
    digitalWrite(D7, temp & ch);
    digitalWrite(RS, HIGH);
    digitalWrite(EN, HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(EN, LOW);
    digitalWrite(D4, temp & ch<<7);
    digitalWrite(D5, temp & ch<<6);
    digitalWrite(D6, temp & ch<<5);
    digitalWrite(D7, temp & ch<<4);
    digitalWrite(RS, HIGH);
    digitalWrite(EN, HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(EN, LOW);
  }
  
void clear()
  {
     lcdcmd(0x01);
  }
  void setCursor(int x, int y)
  {
    int set=0;
    if(y==0)
    set=128+x;
    if(y==1)
    set=192+x;
    lcdcmd(set);
  }
  void print(char *str)
  {
    while(*str)
    {
     write(*str);
     str++;
    }
  }
  void begin(int x, int y)
  {
    lcdcmd(0x02);
    lcdcmd(0x28);
    lcdcmd(0x06);
    lcdcmd(0x0e);
    lcdcmd(0x01);
  }
  void enter()
  {
    clear();
    print("Current Passkey:");
    setCursor(0,1);
    keypad();
    if(strncmp(pass,pass1,4)==0)
    {
       clear();
       print("Enter New Passkey");
       setCursor(0,1);
       keypad();
       for(n=0;n<4;n++)
       pass1[n]=pass[n];
       clear();
       print("Passkey Changed.");
       delay(3000);
       return;
    }
    else
    {
      clear();
      print("Wrong Passkey");
      setCursor(0,1);
      print("Try again later");
     digitalWrite(led, HIGH);
      buzzer();
      buzzer();
      buzzer();
      buzzer();
      delay(2000);
      digitalWrite(led, LOW);
      return;
    }
  }
  void gate_open()
  {
     digitalWrite(m1, LOW);
     digitalWrite(m2, HIGH);
     delay(2000);
  }
  void gate_stop()
  {
    digitalWrite(m1, LOW);
    digitalWrite(m2, LOW);
    delay(2000);
  }
   void gate_close()
  {
    digitalWrite(m1, HIGH);
    digitalWrite(m2, LOW);
    delay(2000);
  }
  void choice()
  {
    digitalWrite(col[0], LOW);
    digitalWrite(col[1],HIGH);
     if(digitalRead(row[3])==0)
     {
       buzzer();
       clear();
       print("Enter Passkey:");
       setCursor(0,1);
       keypad();
       if(strncmp(pass,pass1,4)==0)
       {
        clear();
        print("   Welcome");
        setCursor(0,1);
        print("Access Granted");
        gate_open();
        gate_stop();
        gate_close();
        gate_stop();
        return;
       }
       else
       {
          clear();
          print("Access Denied");
          setCursor(0,1);
          print("Try again later");
          digitalWrite(led, HIGH);
          digitalWrite(buzz, HIGH);
          delay(3000);
          digitalWrite(led, LOW);
          digitalWrite(buzz, LOW);
          return;
       }
     }
     digitalWrite(col[0], HIGH);
     digitalWrite(col[1], LOW);
     if(digitalRead(row[3])==0)
     {
      buzzer();
      enter();
     }
  }
  void setup()
  {
  if(wiringPiSetup()==-1)
  printf("Error");
  pinMode(RS, OUTPUT);
  pinMode(EN, OUTPUT);
  pinMode(D4, OUTPUT);
  pinMode(D5, OUTPUT);
  pinMode(D6, OUTPUT);
  pinMode(D7, OUTPUT);
  pinMode(m1, OUTPUT);
  pinMode(m2, OUTPUT);
  pinMode(led, OUTPUT);
  pinMode(buzz, OUTPUT);
  for(n=0;n<4;n++)
  pinMode(row[n], INPUT);
  for(n=0;n<4;n++)
  pinMode(col[n], OUTPUT);
  for(n=0;n<4;n++)
  digitalWrite(col[n], HIGH);
  }
  
void main(void)
{
    setup();
    begin(16,2);
    print("Electronic Door");
    setCursor(0,1);
    print("Lock Using RPI ");
    delay(2000);
    clear();
    print("Circuit Digest");
    setCursor(0,1);
    print("Raspberry Pi");
    delay(2000);
    clear();
    while (1)
    {
     setCursor(0,0);
     //keypad();
     print("A-Input Password");
     setCursor(0,1);
     print("B-Change Passkey");
     choice();
    }
}
void buzzer()
{
   digitalWrite(buzz, HIGH);
   delay(200);
   digitalWrite(buzz, LOW);
}
void keypad()
{
   int i,j;
   int x=0,k=0;
   delay(2000);
   while(k<4)
   {                                           
    for(i=0;i<4;i++)
    {
      digitalWrite(col[i], LOW);
      for(j=0;j<4;j++)                
      {
        if(digitalRead(row[j])==0)
        {
          setCursor(x,1);
          write(num[i][j]);
          buzzer();
          setCursor(x,1);
          write('*');
          x++;
          pass[k++]=num[i][j];
          while(digitalRead(row[j])==0);           
        }                             
      }
      digitalWrite(col[i], HIGH);
    }
  }
 }

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

271

272

273

274

275

#include<wiringPi.h>

#include<string.h>

#include<stdio.h>

#define buzz 8

#define m1 29

#define m2 28

#define led 27

#define RS 11

#define EN 10

#define D4 6

#define D5 5

#define D6 4

#define D7 1

char pass[4];

char pass1[]={'1','2','3','4'};

int n=0;

char row[4]={21, 14, 13, 12};

char col[4]={22, 23, 24, 25};

char num[4][4]={

{'1','2','3','A'},

{'4','5','6','B'},

{'7','8','9','C'},

{'*','0','#','D'}

};

void keypad();

void buzzer();

void lcdcmd(unsigned int ch)

{

int temp=0x80;

digitalWrite(D4, temp & ch<<3);

digitalWrite(D5, temp & ch<<2);

digitalWrite(D6, temp & ch<<1);

digitalWrite(D7, temp & ch);

digitalWrite(RS, LOW);

digitalWrite(EN, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(EN, LOW);

digitalWrite(D4, temp & ch<<7);

digitalWrite(D5, temp & ch<<6);

digitalWrite(D6, temp & ch<<5);

digitalWrite(D7, temp & ch<<4);

digitalWrite(RS, LOW);

digitalWrite(EN, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(EN, LOW);

}

void write(unsigned int ch)

{

int temp=0x80;

digitalWrite(D4, temp & ch<<3);

digitalWrite(D5, temp & ch<<2);

digitalWrite(D6, temp & ch<<1);

digitalWrite(D7, temp & ch);

digitalWrite(RS, HIGH);

digitalWrite(EN, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(EN, LOW);

digitalWrite(D4, temp & ch<<7);

digitalWrite(D5, temp & ch<<6);

digitalWrite(D6, temp & ch<<5);

digitalWrite(D7, temp & ch<<4);

digitalWrite(RS, HIGH);

digitalWrite(EN, HIGH);

delay(10);

digitalWrite(EN, LOW);

}

void clear()

{

lcdcmd(0x01);

}

void setCursor(int x, int y)

{

int set=0;

if(y==0)

set=128+x;

if(y==1)

set=192+x;

lcdcmd(set);

}

void print(char *str)

{

while(*str)

{

write(*str);

str++;

}

void begin(int x, int y)

{

lcdcmd(0x02);

lcdcmd(0x28);

lcdcmd(0x06);

lcdcmd(0x0e);

lcdcmd(0x01);

}

void enter()

{

clear();

print("Current Passkey:");

setCursor(0,1);

keypad();

if(strncmp(pass,pass1,4)==0)

{

clear();

print("Enter New Passkey");

setCursor(0,1);

keypad();

for(n=0;n<4;n++)

pass1[n]=pass[n];

clear();

print("Passkey Changed.");

delay(3000);

return;

}

else

{

clear();

print("Wrong Passkey");

setCursor(0,1);

print("Try again later");

digitalWrite(led, HIGH);

buzzer();

delay(2000);

digitalWrite(led, LOW);

return;

}

void gate_open()

{

digitalWrite(m1, LOW);

digitalWrite(m2, HIGH);

delay(2000);

}

void gate_stop()

{

digitalWrite(m1, LOW);

digitalWrite(m2, LOW);

delay(2000);

}

void gate_close()

{

digitalWrite(m1, HIGH);

digitalWrite(m2, LOW);

delay(2000);

}

void choice()

{

digitalWrite(col[0], LOW);

digitalWrite(col[1],HIGH);

if(digitalRead(row[3])==0)

{

buzzer();

clear();

print("Enter Passkey:");

setCursor(0,1);

keypad();

if(strncmp(pass,pass1,4)==0)

{

clear();

print(" Welcome");

setCursor(0,1);

print("Access Granted");

gate_open();

gate_stop();

gate_close();

gate_stop();

return;

}

else

{

clear();

print("Access Denied");

setCursor(0,1);

print("Try again later");

digitalWrite(led, HIGH);

digitalWrite(buzz, HIGH);

delay(3000);

digitalWrite(led, LOW);

digitalWrite(buzz, LOW);

return;

}

digitalWrite(col[0], HIGH);

digitalWrite(col[1], LOW);

if(digitalRead(row[3])==0)

{

buzzer();

enter();

}

void setup()

{

if(wiringPiSetup()==-1)

printf("Error");

pinMode(RS, OUTPUT);

pinMode(EN, OUTPUT);

pinMode(D4, OUTPUT);

pinMode(D5, OUTPUT);

pinMode(D6, OUTPUT);

pinMode(D7, OUTPUT);

pinMode(m1, OUTPUT);

pinMode(m2, OUTPUT);

pinMode(led, OUTPUT);

pinMode(buzz, OUTPUT);

for(n=0;n<4;n++)

pinMode(row[n], INPUT);

for(n=0;n<4;n++)

pinMode(col[n], OUTPUT);

for(n=0;n<4;n++)

digitalWrite(col[n], HIGH);

}

void main(void)

{

setup();

begin(16,2);

print("Electronic Door");

setCursor(0,1);

print("Lock Using RPI ");

delay(2000);

clear();

print("Circuit Digest");

setCursor(0,1);

print("Raspberry Pi");

delay(2000);

clear();

while (1)

{

setCursor(0,0);

//keypad();

print("A-Input Password");

setCursor(0,1);

print("B-Change Passkey");

choice();

}

void buzzer()

{

digitalWrite(buzz, HIGH);

delay(200);

digitalWrite(buzz, LOW);

}

void keypad()

{

int i,j;

int x=0,k=0;

delay(2000);

while(k<4)

{

for(i=0;i<4;i++)

{

digitalWrite(col[i], LOW);

for(j=0;j<4;j++)

{

if(digitalRead(row[j])==0)

{

setCursor(x,1);

write(num[i][j]);

buzzer();

setCursor(x,1);

write('*');

x++;

pass[k++]=num[i][j];

while(digitalRead(row[j])==0);

}

digitalWrite(col[i], HIGH);

}

Необходимые компоненты

Подключение клавиатуры 4×4 к Raspberry Pi

Схема проекта

Объяснение работы проекта

Объяснение программы для Raspberry Pi

Исходный код программы на C

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ

Добавить комментарий