Arduino Projekt: Türsicherheitssystem

Abb. 1: Tür Sicherheitssystem

Autor: Justin Frommberger

Aufgabenstellung

• Ziel des Projektes ist es, ein Türsicherheitssystem zu simulieren.
• Die Aufgabe besteht darin, die Tür mit einem vierstelligen Zahlencode zu öffnen (LED leuchtet grün).
• Wird der Code 3-mal falsch eingegeben, ertönt ein Warnsignal und die LED leuchtet rot.
• Alle Eingaben müssen auf dem seriellen Monitor angezeigt werden.
  

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht, kann dieser Online Arduino verwendet werden. [klicken]


[Abb. 2: UML]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	USB A zu USB B
③	20+	Jumperkabel, männlich/männlich
④	1	Steckbrett
⑤	2	LED Rot/Grün
⑥	3	Widerstand 120 Ω
⑦	1	TowerPro SG90 Servomotor
⑧	1	Piezo Lautsprecher
⑨	1	4x4 Tastenfeld

Vorab wichtig zu wissen

Abb. 3: LED

Servomotor Kabel

Tabelle 2: Servomotor Farberkennung

Schwarz oder Braun	Masse (GND)
Rot	VCC/+ 5 V
Organe, Gelb oder Weiß	PWM-Signal

Tastenfeld

Was ist ein Tastenfeld, siehe: [klicken]

Aufbau Schaltung

Abb.4 Schaltung Tür Sicherheitssystem

In Abb. 4 wird die Schaltung für das Projekt "Tür Sicherheitssystem" dargestellt.
Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung des Projekts aufgebaut werden.

Programmierung

Es ist wichtig, die [Programmierrichtlinien] beim Programmieren einzuhalten.

1) Bibliotheken einfügen

Lade, für das Projekt, die Bibliothek für das Tastenfeld 4x4 herunter.
Benötigt werden die Bibliotheken Servo.h und Keypad.h.

[Quelltext 1: TSS.ino]

Lösung  

/* Benötigte Bibliotheken */
#include <Keypad.h>
#include <Servo.h>

2) Initialisierung Arduino

2.1 Tastenfeld initialisieren
Ziel ist es, alle benötigten Variablen für die Funktion zu definieren: Keypad Tastenfeld = Keypad(makeKeymap(Hexa_Keys), Row_Pins, Col_Pins, ROWS, COLS);

• ROWS sind die Anzahl der Spalten und COLS sind die Anzahl der Zeilen, diese werden als Variable festgelegt.
• Daraufhin müssen Row_Pins und Col_Pins ihren Ziffern zugeordnet werden über eine Array-Zuweisung.
• Zum Schluss muss die Hexa_Keys Matrix aufgebaut werden, hier wird jede Ziffer für das Tastenfeld festgelegt.

[Quelltext 2: TSS.ino]

Lösung  

/* Tastenfeld */
/* Größe des Keypads definieren */
const byte COLS = 4; //4 Spalten
const byte ROWS = 4; //4 Zeilen
byte Col_Pins[COLS] = {2,3,4,5}; //Definition der Pins für die 3 Spalten
byte Row_Pins[ROWS] = {6,7,8,9}; //Definition der Pins für die 4 Zeilen
/* Ziffern und Zeichen des Keypads festlegen */
char Hexa_Keys[ROWS][COLS]={
{'D','#','0','*'},
{'C','9','8','7'},
{'B','6','5','4'},
{'A','3','2','1'}
};
Keypad Tastenfeld = Keypad(makeKeymap(Hexa_Keys), Row_Pins, Col_Pins, ROWS, COLS); //Das Keypad kann ab sofort mit "Tastenfeld" angesprochen werden

2.2 Tastenfeld Variablen
Benötigte Variablen zum:

• Festlegen des Passwortes, jeder Buchstabe einzeln.
• Speichern der aktuell gedrückten Taste.
• Speichern der vier gedrückten Tasten.
• Verhindern einer falschen Position bei der Eingabe.

[Quelltext 3: TSS.ino]

Lösung  

/* Variablen */
char P1='1';char P2='2';char P3='3';char P4='A'; // Vier Zeichen des Passwortes eingegeben
char Taste; //Taste ist die Variable für die jeweils gedrückte Taste auf dem Tastenfeld
char C1, C2, C3, C4; // Speichern der gedrückten Tasten
byte z1=0, z2, z3, z4; // Falschen Position zugeordnet wird verhindern

3. Motor, Buzzer und RGB initialisieren

Pins

LED	12 und 13
Motor	11
Buzzer	10

⇒ pinMode();
⇒ Servo.h
[Quelltext 4: TSS.ino]

Lösung  

/* Motor */
Servo Servo_blau; //Servomotor Definition

/* Buzzer */
const byte SOUND_BUZZER = 10; // Buzzer ist an Pin 10 angeschlossen
unsigned int Sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
byte Falsche_Eingabe;    // Für eine falsche Eingabe

/* RGB */
byte ROTE_LED = 12; //Rote LED ist an Pin 12 angeschlossen
byte GRUENE_LED = 13; //Grüne LED wird an Pin 13 angeschlossen

void setup() 
{
Serial.begin(9600);

pinMode(ROTE_LED, OUTPUT);   //Die LEDs werden als Ausgang festgelegt
pinMode(GRUENE_LED, OUTPUT);

Servo_blau.attach(11); //Der Servomotor ist an Pin 11 angeschlossen
}

3) Richtige Reihenfolge der Eingabe

Wichtig ist, dass die Ziffern richtig eingegeben werden.

• So muss sich eine Funktion überlegt werden, welches dies ermöglicht.
• Zur Verwendung kommen nun die Variablen für die falsche Eingabe.
• Auch muss die Variable Taste ihre Werte erhalten.
• Die gedrückte Taste wird in der C1-4 Variable abgespeichert, um später das Passwort zu überprüfen.

Tipp:

1. Nachdem die erste Ziffer gedrückt wurde, öffnet sich die Eingabe für die zweite Ziffer usw.
2. Benötigt wird hierfür eine if-Bedingung und eine goto Funktion.
3. Die Taste bekommt mit der Funktion Tastenfeld.getKey(); ihre Ziffer.

[Quelltext 5: TSS.ino]

Lösung  

void loop() 
{
Anfang: // Goto Anfang
Taste = Tastenfeld.getKey(); 

/* Richtige Reihenfolge des Passwortes erstellen */
  if (z1==0) // Wenn das erste Zeichen noch nicht gespeichert wurde...
  {
  C1=Taste; //Unter der Variablen "C1" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); //Teile uns am Serial Monitor die gedrückte Taste mit
  Serial.print(C1);
  Serial.println(" wurde gedrueckt");
  z1=1; z2=0; z3=1; z4=1; // Zugang zur zweiten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }
 
  if (z2==0) // Wenn das zweite Zeichen noch nicht gespeichert wurde...
  {
  C2=Taste; //Unter der Variablen "C2" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); //Teile uns am Serial Monitor die gedrückte Taste mit
  Serial.print(C2);
  Serial.println(" wurde gedrueckt");
  z1=1; z2=1; z3=0; z4=1; // Zugang zur dritten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }

  if (z3==0) // Wenn das dritte Zeichen noch nicht gespeichert wurde...
  {
  C3=Taste; //Unter der Variablen "C3" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); //Teile uns am Serial Monitor die gedrückte Taste mit
  Serial.print(C3);
  Serial.println(" wurde gedrueckt");
  z1=1; z2=1; z3=1; z4=0; // Zugang zur vierten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }
  
  if (z4==0) // Wenn das vierte Zeichen noch nicht gespeichert wurde...
  {
  C4=Taste; //Unter der Variablen "C4" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); //Teile uns am Serial Monitor die gedrückte Taste mit
  Serial.print(C4);
  Serial.println(" wurde gedrueckt");
  z1=1; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur weiteren Zeicheneingabe sperren
 }
}

4) Tür öffnen und schließen

• Für das Öffnen der Tür wird die Taste (#) verwendet und zum Tür verriegeln die Taste (*).
• Wenn die Tür offen ist, leuchtet die LED Grün und Rot, wenn sie geschlossen ist.
• Der Motor soll ich zu 90 Grad drehen beim Schließen und zu 0 Grad beim Öffnen.
• Überprüfe vor dem Öffnen, ob das Passwort korrekt ist.
  

Tipp:

1. Benötigt werden if-Else Funktionen, die nach der bestimmten Taste abfragen und die Anweisung dann ausführen.
2. Nutze Vergleichsoperatoren zum Abfragen des Passwortes.

[Quelltext 6: TSS.ino]

Lösung  

void loop() 
{
Anfang: // Goto Anfang
Taste = Tastenfeld.getKey(); 
if (Taste) 
 {
  if (Taste=='*')
   {
   Serial.println("Tuer verriegelt");
   delay(2000);
   Servo_blau.write(90); //Servo zum Verriegeln auf 90 Grad ansteuern
   digitalWrite(ROTE_LED, HIGH);
   digitalWrite(GRUENE_LED, LOW); 
   z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur ersten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang; // Damit das Zeichen "*" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird
   }
   
  if (Taste=='#')
   {
   if (C1==P1&&C2==P2&&C3==P3&&C4==P4) //wird geprüft, ob die eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
   Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
   Servo_blau.write(0); //Servo zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
   digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
   digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
   Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
   digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
   digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
   delay(2000);
   z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
   goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }

5) Einbrecher Warnung!

Als Zusatzaufgabe wurde sich überlegt, einen Buzzer ertönen zu lassen, wenn das Passwort 3-mal Falsche eingegeben wurde.

Tipp:

1. Bei einer falschen Eingabe wird die Variable hochgezählt.
2. Wenn die Variable 3 erreicht, ertönt der Buzzer.

⇒ tone();

[Quelltext 7: TSS.ino]

Lösung  

  if (Taste=='#')
   {
   if (C1==P1&&C2==P2&&C3==P3&&C4==P4) //wird geprüft, ob die eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
   Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
   Servo_blau.write(0); //Servo zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
   digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
   digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
   Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
   Falsche_Eingabe += 1;
   
   if(Falsche_Eingabe == 3)          // Wenn der Code 3 mal falsch eigegeben wurde
   {
    Serial.println("Besitzer wurde benachrichtigt!");
    tone(SOUND_BUZZER, Sound);
    delay(8000);
    noTone(SOUND_BUZZER);
   }
   digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
   digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
   delay(2000);
   z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
   goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }

Musterlösung

Lösung Code  

/* Benötigte Bibliotheken */
#include <Keypad.h>
#include <Servo.h>
                                   
/* Tastenfeld */
/* Größe des Keypads definieren */
const byte COLS = 4; //4 Spalten
const byte ROWS = 4; //4 Zeilen

byte Col_Pins[COLS] = {2,3,4,5}; //Definition der Pins für die 3 Spalten
byte Row_Pins[ROWS] = {6,7,8,9}; //Definition der Pins für die 4 Zeilen

/* Ziffern und Zeichen des Keypads festlegen */
char Hexa_Keys[ROWS][COLS]={
{'D','#','0','*'},
{'C','9','8','7'},
{'B','6','5','4'},
{'A','3','2','1'}
};
Keypad Tastenfeld = Keypad(makeKeymap(Hexa_Keys), Row_Pins, Col_Pins, ROWS, COLS); //Das Keypad kann ab sofort mit "Tastenfeld" angesprochen werden

/* Variablen */
char P1='1';char P2='2';char P3='3';char P4='A'; // Vier Zeichen des Passwortes eingegeben
char Taste; //Taste ist die Variable für die jeweils gedrückte Taste auf dem Tastenfeld
char C1, C2, C3, C4; // Speichern der gedrückten Tasten
byte z1=0, z2, z3, z4; // Falschen Position zugeordnet wird verhindern


/* Motor */
Servo Servo_blau; //Servomotor Definition

/* Buzzer */
const byte SOUND_BUZZER = 10; // Buzzer ist an Pin 10 angeschlossen
unsigned int Sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
byte Falsche_Eingabe;    // Für eine falsche Eingabe

/* RGB */
byte ROTE_LED = 12; //Rote LED ist an Pin 12 angeschlossen
byte GRUENE_LED = 13; //Grüne LED wird an Pin 13 angeschlossen

void setup() 
{
Serial.begin(9600);

pinMode(ROTE_LED, OUTPUT);   //Die LEDs werden als Ausgang festgelegt
pinMode(GRUENE_LED, OUTPUT);

Servo_blau.attach(11); //Der Servomotor ist an Pin 11 angeschlossen
}

void loop() 
{
Anfang: // Goto Anfang
Taste = Tastenfeld.getKey(); 
if (Taste) 
 {
  if (Taste=='*')
   {
   Serial.println("Tuer verriegelt");
   delay(2000);
   Servo_blau.write(90); //Servomotor zum Verriegeln auf 90 Grad ansteuern
   digitalWrite(ROTE_LED, HIGH);
   digitalWrite(GRUENE_LED, LOW); 
   z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur ersten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang; // Damit das Zeichen "*" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird
   }
   
  if (Taste=='#')
   {
   if (C1==P1&&C2==P2&&C3==P3&&C4==P4) //wird geprüft, ob die eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
   Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
   Servo_blau.write(0); //Servomotor zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
   digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
   digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
   Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
   Falsche_Eingabe += 1;
   
   if(Falsche_Eingabe == 3)          // Wenn der Code 3-mal falsch eingegeben wurde
   {
    Serial.println("Besitzer wurde benachrichtigt!");
    tone(SOUND_BUZZER, Sound);
    delay(8000);
    noTone(SOUND_BUZZER);
   }
   digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
   digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
   delay(2000);
   z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
   goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }
  
/* Richtige Reihenfolge des Passwortes erstellen */
  if (z1==0) // Wenn das erste Zeichen noch nicht gespeichert wurde.
  {
  C1=Taste; //Unter der Variablen "C1" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(C1);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=0; z3=1; z4=1; // Zugang zur zweiten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }
 
  if (z2==0)
  {
  C2=Taste; //Unter der Variablen "C2" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(C2);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=1; z3=0; z4=1; // Zugang zur dritten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }

  if (z3==0) 
  {
  C3=Taste; //Unter der Variablen "C3" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(C3);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=1; z3=1; z4=0; // Zugang zur vierten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }
  
  if (z4==0) // Wenn das vierte Zeichen noch nicht gespeichert wurde
  {
  C4=Taste; //Unter der Variablen "C4" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(C4);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur weiteren Zeicheneingabe sperren
  }
 }
}

Quelle: Link

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