黃 營，胡浩特，魏 凱，徐 建

(湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

0 引言

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，農(nóng)村開展了“廁所革命”，該項工程是民生中的重大工程之一，對進一步改善農(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)生活更加自動化、智能化也是工作重點之一。農(nóng)村傳統(tǒng)的大門門鎖關鎖比較煩瑣，農(nóng)村門鎖大多采用掛鎖和老式防盜鎖居多，多使用金屬鑰匙手動進行開啟，鑰匙個體較小容易遺失、手動開啟或關閉比較費力，掛鎖對大門進行關鎖步驟比較煩瑣等問題普遍存在。另外，農(nóng)村大門沒有統(tǒng)一規(guī)格，大部分都是根據(jù)需要的尺寸和外觀進行定制的，每個大門的焊接方式多少都會有差異，因此，鎖具的外形構造必須具有普適性和通用性?，F(xiàn)在市面上各種智能門鎖種類繁多，功能強大，但大部分都是基于城市樓房進行設計制造的，價格偏高，與農(nóng)村現(xiàn)狀不適應，文章基于上面情況對農(nóng)村大門門鎖進行智能化改造。

1 總體設計

本設計主控制單片機為STC89C52RC，通過手機App進行操作，通過無線互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)铰酚善髟偻ㄟ^ESP8266將控制信號傳到單片機。指紋模塊在有輸入指紋信息時，對輸入信息和原始指紋信息進行對比，將對比信息傳輸?shù)絾纹瑱C。單片機收到信號后處理后控制SG90舵機，驅(qū)動舵機模塊實現(xiàn)智能開鎖和智能關鎖功能。系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 STC89C52RC芯片

本設計使用性價比較優(yōu)越的STC89C52RC芯片作為控制器[1]。模塊化設計的STC89C52RC是宏晶科技設計研發(fā)的，具有接口簡單、運行速度快、能耗低、抗外界干擾能力強、運行電壓低、數(shù)字信號處理等特點，運用其開發(fā)比較簡單容易，成為中小項目的首選微處理器。

2.2 ESP8266模塊

ESP8266無線傳輸模塊是一款傳輸效率高、傳輸信號穩(wěn)定的低功耗的Wifi芯片,集成度高、體積小、對工作環(huán)境適應能力強，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)相連接從而實現(xiàn)信號互通。AP模式：ESP8266相當于熱點，客戶端(手機、電腦)可以連接到“熱點”，從而實現(xiàn)信號互通。STA+AP模式：是兩種模式相互結(jié)合，共存模式[2]。本設計使用STA模式，進行產(chǎn)品制作。

2.3 指紋模塊

本設計使用的指紋識別模塊為MR608電容式指紋模塊，該模塊是集成半導體傳感器和指紋算法芯片一體化的指紋處理模塊。這類指紋模塊反應能力強，對使用者的環(huán)境沒有特定的要求，耗能低、體積小、接口簡單、指紋搜索速度快[3]。指紋圖像讀取時，對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。電容式指紋識別性能要優(yōu)于光學，不論是解鎖速度還是安全性。

2.4 驅(qū)動模塊

SG90舵機模塊作為本設計的驅(qū)動，驅(qū)動“鎖閂”動作，完成門鎖的打開和關閉動作。SG90舵機體積小，功耗低，價格經(jīng)濟實惠，且穩(wěn)定性比較好，性價比超高。通過PWM控制方式控制其轉(zhuǎn)動角度，占空比大于12.5%，是有機械限位的轉(zhuǎn)動范圍，轉(zhuǎn)動角度為0～180度，非常適宜本設計的設計需求。

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65 mm。容量大，常規(guī)容量為2 200～3 200 mAh。沒有記憶效應，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，理論為循環(huán)充電1 000次，安全性比較高，不爆炸，不燃燒，無毒，無污染。本設計的應用環(huán)境是在室外，環(huán)境較惡劣，所以選擇器件時要充分考慮其安全性。

2.6 太陽能充電模

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

圖2 太陽能充電系統(tǒng)

2.7 硬件設計

本設計主要包含了5個模塊，包括指紋模塊、ESP8266模塊、SG90舵機驅(qū)動模塊、電源模塊等。由手機App發(fā)送指令經(jīng)過路由器，傳輸給ESP8266，然后由ESP8266傳輸給STC89C52RC后控制開鎖。指紋模塊則是通過信號線把信息傳輸給STC89C52RC后控制開鎖。硬件系統(tǒng)如圖 3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)

3 軟件設計

3.1 無線發(fā)送及接收系統(tǒng)

采用ESP8266模塊實現(xiàn)無線發(fā)送數(shù)據(jù)以及無線接收數(shù)據(jù)的功能。

3.1.1 發(fā)送端

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

圖4 手機App發(fā)射端程序

指紋采集系統(tǒng)，將采集到指紋信息經(jīng)由信號線，把指紋信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC89C52RC單片機收集進行處理。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)接收端采用信號線傳輸，SG90舵機接收到STC89C52RC端口的電位信號，舵機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪，齒輪驅(qū)動鎖閂進行開鎖或關鎖，接收端程序框如圖6所示。

圖6 接收端程序

3.2 PWM控制舵機的程序設置

設計中，SG舵機的控制程序用定時器中斷產(chǎn)生PWM信號[5]，用查詢方式對“開鎖”和“關鎖”兩種狀態(tài)進行定時的查詢，進而改變信號的脈寬，對舵機的轉(zhuǎn)動進行控制。

sbit SG_PWM=P2^0; //信號控制引腳

unsigned char count=0; //計次 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; //舵機轉(zhuǎn)動0度

Delay(1000);

PWM_count=2; //舵機轉(zhuǎn)動180度

Delay(1000);

}

}

void Timer0() interrupt 1

{

TL0 = 0x33;

TH0 = 0xFE; //重新賦計數(shù)初值為0.5ms

count++; //計次，每500us count+1

count%=40; //周期為20ms

if(count

{

SG_PWM=1;

}

else

{

SG_PWM=0;

}

}

3.3 系統(tǒng)主程序設計

編程軟件采用KEIL5，首先是硬件進行初始化配置，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)會將錄入指紋信息與存儲的解鎖指紋進行對比驗證，驗證成功，系統(tǒng)通過PWM控制SG90舵機運動，驅(qū)動鎖閂完成開鎖。驗證失敗，重新進行指紋錄入，指紋錄入超過3次，系統(tǒng)自動進入到手機App解鎖模式。如果沒有指紋錄入，進入手機App,點擊“開鎖”鍵。完成開鎖主程序流程如圖 7 所示。

圖7 主程序流程

4 結(jié)語

本設計是基于STC89C52RC單片機的智能門鎖控制系統(tǒng)，整體上實現(xiàn)了農(nóng)村大門門鎖的智能化控制，改變了傳統(tǒng)的鑰匙開鎖的方式。本設計采用綠色能源太陽能進行充電，使其更加節(jié)省電力能源。壽命長，符合節(jié)能、環(huán)保的設計要求，成本較低，具有較強的使用價值。