上海電子工業(yè)學(xué)校電子與通信技術(shù)系 張 帆

具有RFID和WIFI控制的密碼鎖設(shè)計(jì)

上海電子工業(yè)學(xué)校電子與通信技術(shù)系 張 帆

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子鎖在日常生活中的應(yīng)用日趨廣泛，而對其的控制手段也日趨豐富，極大的方便了人們的工作和生活。本文將介紹一款具有RFID、WIFI和密碼輸入控制功能的密碼鎖的設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)對相應(yīng)模塊的信號采集和控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對電電磁鎖的開關(guān)控制，將對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并對其使用方法和測試過程進(jìn)行介紹。

RFID；WIFI；密碼鎖；單片機(jī)

本系統(tǒng)主要通過RFID模塊、WiFi模塊和鍵盤輸入來實(shí)現(xiàn)對電磁鎖的控制，通過微控制器對信號的采集和處理實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。本系統(tǒng)利用RFID標(biāo)簽或具有WiFi功能的手機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙來開關(guān)門鎖，同時(shí)也可以通過系統(tǒng)上的鍵盤進(jìn)行密碼開鎖。系統(tǒng)硬件部分主要包括兩個(gè)部分：首先是安裝在門上的電磁鎖，通過系統(tǒng)發(fā)出的控制信號控制其通斷電實(shí)現(xiàn)門鎖的鎖和開；其次是可以安裝在門附近的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)RFID感應(yīng)和WiFi信號接收。下面將對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件包括STC12C5A單片機(jī)系統(tǒng)、RFID模塊、WiFi模塊、EEPROM程序存儲電路、按鍵模塊、顯示模塊、電源模塊電路等；軟件包括RFID模塊處理程序和WiFi模塊處理程序、按鍵處理以及顯示和控制輸出程序等的設(shè)計(jì)。

同時(shí)考慮到整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境，抗干擾的設(shè)計(jì)必須貫穿于整個(gè)軟硬件的設(shè)計(jì)過程。

本系統(tǒng)選用宏晶公司的STC12C5A60S2微控制器，RFID模塊選擇了MFRC522作為主控芯片，WiFi模塊選擇了ESP8266，存儲芯片選擇了AT24C08，同時(shí)設(shè)計(jì)了4*4矩陣式鍵盤和LCD12864顯示模塊電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件電路框圖

圖2　單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

2.各主要模塊的硬件電路分析

2.1單片機(jī)的主控系統(tǒng)

單片機(jī)的主控系統(tǒng)是使單片機(jī)工作而為單片機(jī)提供各種電源及外圍的電路所構(gòu)成的電路，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)部分：電源模塊電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、以及使單片機(jī)為完成在系統(tǒng)這些功能而進(jìn)行的單片機(jī)的各功能引腳的設(shè)置與分配，其電路圖如圖2所示。

圖3　按鍵和顯示電路原理圖

2.2按鍵與顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4*4的矩陣式按鍵鍵盤，通過按鍵可以進(jìn)行密碼的設(shè)置、輸入，菜單的選擇等功能，顯示模塊選擇了LCD12864以顯示豐富的內(nèi)容，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中的功耗和實(shí)用性，對LCD的背光做了低功耗處理。按鍵和顯示電路原理圖如圖3所示。

2.3RFID模塊電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)選擇了MFRC522進(jìn)行電子標(biāo)簽的識別，MFRC522是高度集成的非接觸式（13.56MHz）讀寫卡芯片。此發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中（13.56MHz）。MFRC522的內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE卡和應(yīng)答機(jī)的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個(gè)功能強(qiáng)大和高效的解調(diào)和譯碼電路，用來處理兼容ISO 14443A/MIFARE的卡和應(yīng)答機(jī)的信號。數(shù)字電路部分處理完整的ISO 14443A 幀和錯誤檢測（奇偶&CRC）。MFRC522支持MIFARE Classic （如MIFARE標(biāo)準(zhǔn)）器件。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 424kbit/s。本系統(tǒng)中將其設(shè)置為SPI接口模式，RFID模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4　RFID模塊的電路原理圖

2.4WiFi模塊電路的設(shè)計(jì)

通過手機(jī)的上位機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)對電磁鎖的開關(guān)控制，本模塊電路選擇了ESP8266模塊作為WiFi信號收發(fā)，ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用或通過另一個(gè)應(yīng)用處理器卸載所有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能。ESP8266在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。另外一種情況是，無線上網(wǎng)接入承擔(dān)Wi-Fi適配器的任務(wù)時(shí)，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中，連接簡單易行，只需通過SPI/SDIO接口或中央處理器AHB橋接口即可。ESP8266強(qiáng)大的片上處理和存儲能力，使其可通過 GPIO 口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最低。裝有ESP8266的系統(tǒng)表現(xiàn)出來的領(lǐng)先特征有：節(jié)能VoIP在睡眠/喚醒模式之間的快速切換、配合低功率操作的自適應(yīng)無線電偏置、前端信號的處理功能、故障排除和無線電系統(tǒng)共存特性為消除蜂窩/藍(lán)牙/DDR/LVDS/LCD干擾。WiFi模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5　WIFI模塊電路原理圖

圖6　EEPROM存儲電路原理圖

2.5EEPROM存儲電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)處理系統(tǒng)需要對設(shè)置的密碼和卡號進(jìn)行存儲、注冊和記錄等操作，需要對已經(jīng)設(shè)置和注冊的信息進(jìn)行記錄和重新上電后的調(diào)用，所以系統(tǒng)設(shè)置了EEPROM對上述信息進(jìn)行存儲。本系統(tǒng)同選擇了具有IIC接口的AT24C08作為存儲芯片，通過單片機(jī)的軟件虛擬IIC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和加載。EEPROM存儲電路的原理圖如圖6所示。

2.6電源電路的設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)用性原則本系統(tǒng)選擇了DC12V開關(guān)電源作為電源輸入，該部分的電路設(shè)計(jì)包括為單片機(jī)提供的+5V電源的設(shè)計(jì)，選擇了7805 LDO芯片，同時(shí)需要給RFID和WiFi模塊提供3.3V的電源，選擇了AMS1117-3.3芯片。電源部分電路如圖7所示。

圖7　電源電路原理圖

3.系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括LCD顯示程序、按鍵檢測與處理程序、RFID模塊處理程序、WiFi模塊處理程序、EEPROM操作程序等。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入按鍵檢測程序，可以通過按鍵進(jìn)行密碼的輸入、設(shè)置和修改、卡的注冊等操作，同時(shí)也檢測是否有卡并對卡的信息進(jìn)行讀取和比對，如果此卡已注冊則發(fā)出開鎖信號，如果檢測到WiFi模塊發(fā)送來的開鎖信號也將發(fā)出開鎖信號，系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。

圖8　程序流程圖

［1］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.1.

［2］錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.3.

［3］廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.MF_RC522 datasheet.2007.9.

［4］樂鑫信息科技有限公司.ESP8266 Specification.2014.12.

［5］宏晶科技.STC12C5A60S2 user guide.

Password-lock design RFID and WIFI control

Zhang Fan
（Department of electronics and communication technology， Shanghai Electronic Industrial School）

With the development of electronic technology， electronic locks used in everyday life is becoming more widespread， and the control method is more and more， it take a great convenience to people’s work and life. This article describes a password-lock design RFID， WIFI and password control functions， through MCU electromagnetic lock switch on the electrical control module of the corresponding signal acquisition and control applications， the hardware and software design of the system analyze and make use of its introduction and testing process.

RFID； WIFI； Password-lock；MCU