劉西閣

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 江蘇省常州市 213164）

近年來(lái)人們生活水平逐步提高，人們的安全防范意識(shí)和對(duì)生活品質(zhì)要求也隨之提高，傳統(tǒng)的鑰匙開鎖已經(jīng)無(wú)法滿足人們的要求，智能門鎖應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前智能門鎖開鎖方式主要有指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、密碼開鎖和無(wú)線通信遠(yuǎn)程開鎖等，使用的無(wú)線通信技術(shù)也是多種多樣，文獻(xiàn)[1]以單片機(jī)為核心，結(jié)合Wi-Fi 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制門鎖[1]；文獻(xiàn)[2]利用NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公租房智能門鎖系統(tǒng)[2]；文獻(xiàn)[3]以GPRS 技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單的智能門鎖控制系統(tǒng)[3]；文獻(xiàn)[4]采用藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖甚至整個(gè)家居系統(tǒng)的控制[4]。綜合比較，無(wú)線通信方式控制的智能門鎖的優(yōu)點(diǎn)在于不進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比處理，只做數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸，更為安全可靠，且不需要大量布線 。

本文以ESP8266 為核心控制器[5]，取代了傳統(tǒng)的ESP8266+單片機(jī)芯片組合的控制方式[6]，利用Wi-Fi 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種低成本易控制的智能門鎖控制器，通過(guò)MQTT 通信協(xié)議，結(jié)合云端服務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)多門鎖多終端協(xié)同。本設(shè)計(jì)可在移動(dòng)端非局域網(wǎng)接入方式下實(shí)現(xiàn)秒級(jí)內(nèi)開鎖，具備遠(yuǎn)程開鎖和自動(dòng)登記開鎖人員信息功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能門鎖系統(tǒng)包含三部分：門鎖控制器、云服務(wù)器和用戶終端，如圖1所示。門鎖控制器采用ESP8266 Wi-Fi MCU 為核心模塊，外圍擴(kuò)展電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、USB 串口轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊和按鍵。系統(tǒng)以ESP8266 為主控制單元，取代了傳統(tǒng)的ESP8266+單片機(jī)芯片組合的控制方式，控制過(guò)程可簡(jiǎn)單概括為門鎖控制器利用Wi-Fi 技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)云服務(wù)器和用戶終端建立通信通道，用戶終端和門鎖控制器之間的通信采用MQTT 通信協(xié)議，即以消息訂閱/發(fā)布的方式對(duì)門鎖進(jìn)行控制，云服務(wù)器在中間負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1：系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ESP8266電路

ESP8266 是面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性價(jià)比、高度集成的Wi-Fi MCU（微控制單元），除了Wi-Fi 功能，ESP8266 還集成了32-bit處理器和片上SRAM，擁有強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，可通過(guò)GPIO 口集成傳感器及其他設(shè)備，另外片內(nèi)還集成了天線開關(guān)、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器和電源管理模塊，開發(fā)成本低，在運(yùn)行中最少的占用系統(tǒng)資源。

ESP8266 模組共有16 個(gè)引腳，要想使模組正常工作，必須對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路圖如圖2所示。復(fù)位電路采用按鍵控制電路，復(fù)位信號(hào)RST 低電平有效，工作狀態(tài)下復(fù)位信號(hào)置高，需要復(fù)位時(shí)，按下按鍵將RST 管腳置零進(jìn)行復(fù)位；使能管腳EN 一直置高；ESP8266 工作模式由GPIO0 決定，上拉進(jìn)入工作模式，下拉進(jìn)入下載模式，所以GPIO0 管腳的電路設(shè)計(jì)成按鍵控制，未按下時(shí)上拉VCC，按下后下拉GND，通過(guò)按鍵控制ESP8266 在工作模式和下載模式之間切換；TXD0 和RXD0 連接USB 串口轉(zhuǎn)換模塊；GPIO4 和GPIO5 連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

圖2：ESP8266 電路圖

2.2 USB串口轉(zhuǎn)換電路

USB 串口轉(zhuǎn)換模塊選用CH340 芯片，該芯片是一個(gè)USB 總線的轉(zhuǎn)換芯片，能實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口的功能。CH340 需要外接晶體振蕩器電路給系統(tǒng)提供基本時(shí)鐘信號(hào)，晶體振蕩電路設(shè)計(jì)是在X1 和X0 引腳之間連接晶體振蕩器和負(fù)載電容，晶振選擇12MHz 的石英晶體，負(fù)載電容選擇22pF 的高頻瓷片電容。D-和D+通過(guò)串聯(lián)電阻連接USB 接口。RXD 和TXD 連接ESP8266 的串行口TXD0 和RXD0。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3：USB 轉(zhuǎn)串口電路圖

2.3 電源轉(zhuǎn)換模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊需要將5V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，本設(shè)計(jì)選用AMS1117 穩(wěn)壓器。AMS1117 是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A 電流下壓降為1.2V。AMS1117 有兩個(gè)版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精度。本設(shè)計(jì)選用3.3V 固定輸出版本，電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示，C3 和C4 是輸入電容，防止斷電后出現(xiàn)的電壓倒置，C5 和C6 是輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩，達(dá)到輸出平滑穩(wěn)定的電壓。

圖4：電源轉(zhuǎn)換電路圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用的是L9110S，該芯片是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件。芯片有兩個(gè)TTL/CMOS 兼容電平的輸入，有兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5A。本系統(tǒng)的L9110S 電路設(shè)計(jì)如圖5所示，兩個(gè)輸入端通過(guò)上拉電阻連接ESP8266 的P4 和P5 管腳，輸出端直接連接門鎖。

圖5：L9110S 電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)開發(fā)使用AiThinker IDE 集成開發(fā)環(huán)境，基于官方提供的軟件開發(fā)包（SDK）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)選用的開發(fā)包版本為ESP8266_NONOS_SDK，工程選用esp_mqtt_proj，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

3.1 程序初始化

程序初始化并發(fā)起MQTT 連接，具體流程如圖6所示。串口初始化，設(shè)置串口波特率為115200bps，本項(xiàng)目串口主要用于程序下載和串口信息打??；控制門鎖管腳設(shè)置，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，選擇GPIO4 和GPIO5 管腳，并定義管腳功能；調(diào)用MQTT_InitConnection 函數(shù)進(jìn)行連接信息初始化，設(shè)置連接服務(wù)器的地址、端口號(hào)和認(rèn)證加密；調(diào)用MQTT_InitClient 函數(shù)進(jìn)行客戶端初始化，設(shè)置客戶端的標(biāo)識(shí)號(hào)、用戶名、密碼和心跳時(shí)間；ESP8266 既可以作為Wi-Fi 站點(diǎn)（station）也可以作為熱點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用其作為站點(diǎn)，調(diào)用WIFI_Connect 函數(shù)發(fā)起Wi-Fi 連接，參數(shù)里填寫連接熱點(diǎn)的SSID 號(hào)和密碼；連接成功則調(diào)用MQTT_Connect 連接MQTT 服務(wù)器，連接不成功則斷開MQTT 連接。

圖6：程序初始化流程圖

3.2 門鎖控制程序

MQTT 連接成功后則進(jìn)入門鎖控制程序，控制流程如圖7所示。首先調(diào)用MQTT_Subscribe 函數(shù)訂閱消息，參數(shù)填寫訂閱的主題名稱；等待服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的主題消息，并對(duì)消息數(shù)據(jù)內(nèi)容解析判斷，當(dāng)為ON 時(shí)，執(zhí)行開鎖流程，開鎖后等待5S 并關(guān)閉門鎖，當(dāng)為OFF 時(shí)，直接關(guān)閉門鎖。

圖7：門鎖控制程序流程圖

本系統(tǒng)軟件主要有以下功能：

（1）基于ESP8266 芯片，提供了物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備門鎖的Wi-Fi 接入功能，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 端自定義配置SSID 和密碼；

（2）通過(guò)MQTT 通信協(xié)議，長(zhǎng)連接云服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)門鎖的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)使用了基于用戶名及密碼的方式接入，加強(qiáng)了設(shè)備接入的安全性；

（3）接收MQTT 已訂閱的消息，解析消息內(nèi)容，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制門鎖開關(guān)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境對(duì)其功能測(cè)試驗(yàn)證，門鎖采用電動(dòng)雙快鎖，搭建EMQX 服務(wù)器，其中控制器模型和測(cè)試模型如圖8 和圖9所示，利用ESP_DOWNLOAD_TOOL 燒錄軟件將軟件程序代碼下載到ESP8266 芯片，按照系統(tǒng)方案里要實(shí)現(xiàn)的功能點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試時(shí)可連接串口，通過(guò)串口助手打印信息實(shí)時(shí)觀察程序運(yùn)行情況，測(cè)試過(guò)程如下：

圖8：控制器實(shí)物

圖9：智能門鎖系統(tǒng)測(cè)試模型

（1）控制器上電，利用ESP-TOUCH 的Smart Config（智能配置）技術(shù)設(shè)置控制器連接的SSID 和密碼，設(shè)置完成后通過(guò)串口助手打印信息查看Wi-Fi 連接是否成功。

（2）控制器通過(guò)MQTT 協(xié)議連接云服務(wù)器，服務(wù)器上能夠看到控制器連接信息和訂閱發(fā)布消息主題。

（3）手機(jī)端安裝MQTT 客戶端測(cè)試工具APP，向訂閱主題發(fā)布控制指令，該指令經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，能正常控制門鎖的開關(guān)。

5 總結(jié)

本文基于ESP8266 模組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款可便捷實(shí)時(shí)開閉鎖、造價(jià)低廉、安全性高的智能門鎖控制器，同時(shí)又結(jié)合云端服務(wù)管理，更加關(guān)注門鎖使用過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的整合利用。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制門鎖開關(guān)的反應(yīng)速度都是秒級(jí)內(nèi)的。另外系統(tǒng)的可擴(kuò)展性還允許更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入，在云端和門鎖控制進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。