黃 營(yíng)，胡浩特，魏 凱，徐 建

(湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

0 引言

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，農(nóng)村開(kāi)展了“廁所革命”，該項(xiàng)工程是民生中的重大工程之一，對(duì)進(jìn)一步改善農(nóng)村生活群眾的生活質(zhì)量和居住環(huán)境具有重要作用。同樣，在鄉(xiāng)村振興背景下，讓農(nóng)村的生產(chǎn)生活更加自動(dòng)化、智能化也是工作重點(diǎn)之一。農(nóng)村傳統(tǒng)的大門(mén)門(mén)鎖關(guān)鎖比較煩瑣，農(nóng)村門(mén)鎖大多采用掛鎖和老式防盜鎖居多，多使用金屬鑰匙手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)啟，鑰匙個(gè)體較小容易遺失、手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉比較費(fèi)力，掛鎖對(duì)大門(mén)進(jìn)行關(guān)鎖步驟比較煩瑣等問(wèn)題普遍存在。另外，農(nóng)村大門(mén)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格，大部分都是根據(jù)需要的尺寸和外觀進(jìn)行定制的，每個(gè)大門(mén)的焊接方式多少都會(huì)有差異，因此，鎖具的外形構(gòu)造必須具有普適性和通用性?，F(xiàn)在市面上各種智能門(mén)鎖種類繁多，功能強(qiáng)大，但大部分都是基于城市樓房進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，價(jià)格偏高，與農(nóng)村現(xiàn)狀不適應(yīng)，文章基于上面情況對(duì)農(nóng)村大門(mén)門(mén)鎖進(jìn)行智能化改造。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主控制單片機(jī)為STC89C52RC，通過(guò)手機(jī)App進(jìn)行操作，通過(guò)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)铰酚善髟偻ㄟ^(guò)ESP8266將控制信號(hào)傳到單片機(jī)。指紋模塊在有輸入指紋信息時(shí)，對(duì)輸入信息和原始指紋信息進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)收到信號(hào)后處理后控制SG90舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)鎖和智能關(guān)鎖功能。系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52RC芯片

本設(shè)計(jì)使用性價(jià)比較優(yōu)越的STC89C52RC芯片作為控制器[1]。模塊化設(shè)計(jì)的STC89C52RC是宏晶科技設(shè)計(jì)研發(fā)的，具有接口簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、能耗低、抗外界干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行電壓低、數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)，運(yùn)用其開(kāi)發(fā)比較簡(jiǎn)單容易，成為中小項(xiàng)目的首選微處理器。

2.2 ESP8266模塊

ESP8266無(wú)線傳輸模塊是一款傳輸效率高、傳輸信號(hào)穩(wěn)定的低功耗的Wifi芯片,集成度高、體積小、對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，特別是溫度范圍較廣(-40℃～125℃)。工作模式分為3種，分別為STA模式、AP模式和STA+AP模式，STA模式：ESP8266模塊需要和路由器互聯(lián)，而后路由器和互聯(lián)網(wǎng)相連接從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)互通。AP模式：ESP8266相當(dāng)于熱點(diǎn)，客戶端(手機(jī)、電腦)可以連接到“熱點(diǎn)”，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)互通。STA+AP模式：是兩種模式相互結(jié)合，共存模式[2]。本設(shè)計(jì)使用STA模式，進(jìn)行產(chǎn)品制作。

2.3 指紋模塊

本設(shè)計(jì)使用的指紋識(shí)別模塊為MR608電容式指紋模塊，該模塊是集成半導(dǎo)體傳感器和指紋算法芯片一體化的指紋處理模塊。這類指紋模塊反應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)使用者的環(huán)境沒(méi)有特定的要求，耗能低、體積小、接口簡(jiǎn)單、指紋搜索速度快[3]。指紋圖像讀取時(shí)，對(duì)干濕指紋解鎖比較穩(wěn)定，可獲得最佳的成像質(zhì)量，適用人群廣泛。電容式指紋識(shí)別性能要優(yōu)于光學(xué)，不論是解鎖速度還是安全性。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

SG90舵機(jī)模塊作為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)“鎖閂”動(dòng)作，完成門(mén)鎖的打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作。SG90舵機(jī)體積小，功耗低，價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且穩(wěn)定性比較好，性價(jià)比超高。通過(guò)PWM控制方式控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，占空比大于12.5%，是有機(jī)械限位的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0～180度，非常適宜本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求。

2.5 電源模塊

電源模塊使用的是18 650充電鋰電池，18 650鋰離子電池重量輕，重量為38～47 g。體積小，直徑18 mm，長(zhǎng)65 mm。容量大，常規(guī)容量為2 200～3 200 mAh。沒(méi)有記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。18 650電池使用壽命比較長(zhǎng)，理論為循環(huán)充電1 000次，安全性比較高，不爆炸，不燃燒，無(wú)毒，無(wú)污染。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境是在室外，環(huán)境較惡劣，所以選擇器件時(shí)要充分考慮其安全性。

2.6 太陽(yáng)能充電模

6 W5 V鋼化玻璃太陽(yáng)能板，晴天正午陽(yáng)光下電流可達(dá)1 A左右[4]。可自動(dòng)升壓降壓穩(wěn)壓器使用18 650鋰電池進(jìn)行充電，保證為該系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。太陽(yáng)能充電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)

2.7 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包含了5個(gè)模塊，包括指紋模塊、ESP8266模塊、SG90舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等。由手機(jī)App發(fā)送指令經(jīng)過(guò)路由器，傳輸給ESP8266，然后由ESP8266傳輸給STC89C52RC后控制開(kāi)鎖。指紋模塊則是通過(guò)信號(hào)線把信息傳輸給STC89C52RC后控制開(kāi)鎖。硬件系統(tǒng)如圖 3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線發(fā)送及接收系統(tǒng)

采用ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)以及無(wú)線接收數(shù)據(jù)的功能。

3.1.1 發(fā)送端

系統(tǒng)將手機(jī)App產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)，由互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)路由器，再經(jīng)過(guò)ESP8266傳送到STC89C52RC單片機(jī)收集進(jìn)行處理。手機(jī)App發(fā)射端程序框如圖4所示。

圖4 手機(jī)App發(fā)射端程序

指紋采集系統(tǒng)，將采集到指紋信息經(jīng)由信號(hào)線，把指紋信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC89C52RC單片機(jī)收集進(jìn)行處理。指紋模塊發(fā)射端程序框如圖5所示。

圖5 指紋模塊發(fā)射端程序

3.1.2 接收端

系統(tǒng)接收端采用信號(hào)線傳輸，SG90舵機(jī)接收到STC89C52RC端口的電位信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪驅(qū)動(dòng)鎖閂進(jìn)行開(kāi)鎖或關(guān)鎖，接收端程序框如圖6所示。

圖6 接收端程序

3.2 PWM控制舵機(jī)的程序設(shè)置

設(shè)計(jì)中，SG舵機(jī)的控制程序用定時(shí)器中斷產(chǎn)生PWM信號(hào)[5]，用查詢方式對(duì)“開(kāi)鎖”和“關(guān)鎖”兩種狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)的查詢，進(jìn)而改變信號(hào)的脈寬，對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。

sbit SG_PWM=P2^0; //信號(hào)控制引腳

unsigned char count=0; //計(jì)次 賦初值為0

unsigned char PWM_count=0; //0--0度，2--180度

void main()

{

Timer0_Init();

while(1)

{

PWM_count=1; //舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0度

Delay(1000);

PWM_count=2; //舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180度

Delay(1000);

}

}

void Timer0() interrupt 1

{

TL0 = 0x33;

TH0 = 0xFE; //重新賦計(jì)數(shù)初值為0.5ms

count++; //計(jì)次，每500us count+1

count%=40; //周期為20ms

if(count

{

SG_PWM=1;

}

else

{

SG_PWM=0;

}

}

3.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

編程軟件采用KEIL5，首先是硬件進(jìn)行初始化配置，串口初始化等。然后是指紋錄入，如果有指紋錄入信息，系統(tǒng)會(huì)將錄入指紋信息與存儲(chǔ)的解鎖指紋進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證成功，系統(tǒng)通過(guò)PWM控制SG90舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鎖閂完成開(kāi)鎖。驗(yàn)證失敗，重新進(jìn)行指紋錄入，指紋錄入超過(guò)3次，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到手機(jī)App解鎖模式。如果沒(méi)有指紋錄入，進(jìn)入手機(jī)App,點(diǎn)擊“開(kāi)鎖”鍵。完成開(kāi)鎖主程序流程如圖 7 所示。

圖7 主程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC單片機(jī)的智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)，整體上實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村大門(mén)門(mén)鎖的智能化控制，改變了傳統(tǒng)的鑰匙開(kāi)鎖的方式。本設(shè)計(jì)采用綠色能源太陽(yáng)能進(jìn)行充電，使其更加節(jié)省電力能源。壽命長(zhǎng)，符合節(jié)能、環(huán)保的設(shè)計(jì)要求，成本較低，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。