李曉磊　王學(xué)賀　成洪豪

摘要：文章采用STC89C52單片機(jī)為主控制器，結(jié)合無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能門鎖系統(tǒng)。智能門鎖包含3種開鎖方式，即按鍵密碼解鎖、ID卡刷卡解鎖以及手機(jī)端App解鎖。文章詳細(xì)闡述了智能門鎖系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)原理及測試過程，有效地實(shí)現(xiàn)了智能門鎖系統(tǒng)的無鑰匙解鎖和遠(yuǎn)程解鎖功能。實(shí)驗(yàn)證明，該門鎖系統(tǒng)具有智能方便、成本較低、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)校、工廠宿舍等場所具有一定的使用、推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；門鎖

中圖分類號：TN79文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言近年來，智能家居發(fā)展迅速，在市面上得到普及，逐步改變著人們的生活方式。作為智能家居硬件產(chǎn)品第一入口，智能門鎖以其方便、解決“忘帶鑰匙”等優(yōu)點(diǎn)深受大眾認(rèn)可。智能鎖解鎖方式多種多樣。一些學(xué)者、科技人員為解決該問題做了部分研究，提出了密碼鎖、指紋鎖、紅外遙控鎖、藍(lán)牙密碼鎖等多種門鎖系統(tǒng)方案［1-2］。本文從實(shí)際出發(fā)，通過單片機(jī)結(jié)合無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種多模式智能門鎖系統(tǒng)。用戶可以通過按鍵輸入密碼解鎖，也可以使用ID卡刷卡解鎖，同時(shí)能通過手機(jī)端App進(jìn)行解鎖，安全可靠、成本較低。

1整體方案設(shè)計(jì)智能門鎖包含3種開鎖方式即按鍵密碼解鎖、ID卡刷卡解鎖以及手機(jī)端App解鎖，均可實(shí)現(xiàn)無鑰匙進(jìn)入，能對應(yīng)不同的使用場景。智能門鎖的控制器采用STC89C52單片機(jī)，用于數(shù)據(jù)處理和控制開鎖，采用LCD1602液晶進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。按鍵密碼解鎖主要用于設(shè)置、修改密碼及安全解鎖；ID卡刷卡解鎖簡單方便，利用無線射頻識別RFID技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了刷卡即入；手機(jī)端App解鎖方式，使用E4A軟件開發(fā)手機(jī)端App程序，結(jié)合無線WiFi傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接，可以實(shí)現(xiàn)近距離或遠(yuǎn)程解鎖。在硬件、軟件設(shè)計(jì)方面，均采用模塊化設(shè)計(jì)方式，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2硬件方案設(shè)計(jì)智能門鎖系統(tǒng)的硬件部分主要由主控制器模塊、按鍵解鎖模塊、ID卡解鎖模塊、無線WiFi傳輸模塊、繼電器與電磁鎖模塊、液晶顯示模塊組成，系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最優(yōu)化，方案設(shè)計(jì)如下。

2.1主控制器模塊系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為主控制器，該類型單片機(jī)內(nèi)部集成了微處理器、存儲器及各種輸入、輸出接口等硬件資源［3］，STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2中主控制器模塊部分所示。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的外圍I/O接口主要用于連接和控制其他模塊電路，單片機(jī)內(nèi)部電路可以將采集的外部信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.2按鍵解鎖模塊由于按鍵較多，按鍵模塊選用4×4矩陣鍵盤，用于密碼的輸入、設(shè)置等操作［4］。16個按鍵僅需占用8個I/O接口，相對于獨(dú)立鍵盤每個按鍵需要占用1個I/O接口，矩陣鍵盤能夠節(jié)省一半的I/O接口資源。在本設(shè)計(jì)中使用機(jī)械彈性開關(guān)作為按鍵，矩陣鍵盤兩端都與單片機(jī)I/O接口連接，按下開關(guān)閉合，線路處于導(dǎo)通狀態(tài)。在檢測時(shí)，單片機(jī)I/O接口循環(huán)給按鍵各列輸出低電平，通過檢測按鍵各行電平信號即可判斷哪個按鍵被按下。按鍵模塊電路如圖1中按鍵模塊部分所示，“0～9、*、#”為密碼字符鍵，“Res”為重置密碼鍵，“Esc”為取消輸入鍵，“Ent”為確認(rèn)密碼鍵，“Shut”為關(guān)鎖鍵。

2.3ID卡解鎖模塊系統(tǒng)選用無線射頻識別RFID模塊進(jìn)行ID卡讀卡識別，模塊工作電壓5 V，輸出電壓高電平有效，輸出電流≤15mA。該模塊能夠支持讀卡、刪除卡、注冊卡等操作，可注冊200張ID卡。在使用前，模塊需要通過USB轉(zhuǎn)TTL連接電腦，通過串口PC端軟件將ID卡進(jìn)行注冊入庫。使用時(shí)，當(dāng)ID卡接近模塊感應(yīng)區(qū)域后，模塊將自動識別解碼輸出10位卡號，對于已經(jīng)注冊的ID卡模塊的輸出接口輸出高電平，否則輸出低電平。該模塊電路如圖2中RFID讀卡識別模塊部分所示，模塊信號輸出OUT接口連接單片機(jī)P2.4接口，當(dāng)單片機(jī)檢測到OUT輸出為高電平時(shí)，將控制繼電器模塊執(zhí)行開鎖操作。

2.4無線WiFi傳輸模塊ESP8266 WiFi模塊是一款超低功耗且通信穩(wěn)定的無線傳輸模塊［5］，模塊支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。本系統(tǒng)利用模塊的TXD、RXD接口分別與單片機(jī)RXD、TXD接口連接，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)行模塊串口通信，該模塊電路如圖2中ESP8266 WiFi模塊部分所示。本系統(tǒng)選用STA+AP運(yùn)行模式，該模式下手機(jī)端App可通過兩種方式與單片機(jī)通信：（1）WiFi模塊通過連接互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)，與手機(jī)端App進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。（2）手機(jī)端App直接連接WiFi模塊產(chǎn)生的熱點(diǎn)，與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)近距離的通信功能。

2.5繼電器與電磁鎖模塊繼電器模塊用于控制電磁鎖的開關(guān)狀態(tài)，電磁鎖的安全類型設(shè)置為斷電上鎖、通電斷鎖模式，繼電器信號輸入端與單片機(jī)P2.0接口連接，其電路如圖2中繼電器與電磁鎖模塊部分所示。單片機(jī)I/O接口默認(rèn)輸出高電平，因此將繼電器模塊設(shè)置為低電平觸發(fā)模式。當(dāng)密碼輸入正確、ID卡識別通過或主控器收到手機(jī)端開鎖命令時(shí)，單片機(jī)P2.0接口輸出控制電平，繼電器吸合，電路接通，電磁鎖開鎖，否則電磁鎖處于上鎖狀態(tài)。

2.6液晶顯示模塊系統(tǒng)采用LCD1602液晶模塊，液晶模塊內(nèi)部控制器內(nèi)帶有80 B的RAM緩沖區(qū)，該模塊使用并行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，液晶數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口相連，E、R/W、RS引腳分別與P2.5、P2.6、P2.7連接，根據(jù)基本操作時(shí)序進(jìn)行設(shè)置使用，其電路如圖2中液晶顯示模塊部分所示。液晶顯示模塊主用于密碼輸入、更改、開鎖提示等內(nèi)容的顯示。系統(tǒng)中配置了蜂鳴器進(jìn)行提示輔助，電路如圖2中液晶蜂鳴器部分所示。

3軟件方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件方案主要由初始化程序、液晶顯示程序、按鍵解鎖程序、ID卡解鎖程序、WiFi串口通信程序5個模塊組成。在鍵盤檢測程序中，通過延時(shí)程序以達(dá)到消除按鍵抖動現(xiàn)象，減少誤差出現(xiàn)，密碼重置程序用于重新設(shè)置開鎖密碼；ESP8266 WiFi模塊STA+AP模式運(yùn)行，指令A(yù)T+CWMODE=3；手機(jī)端App軟件開發(fā)由主窗口創(chuàng)建、連接服務(wù)器、按鍵命令操作、數(shù)據(jù)處理4部分組成。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行液晶顯示、串口通信及ESP8266 WiFi服務(wù)器初始化，然后進(jìn)行3種解鎖方式檢測程序，當(dāng)滿足鍵盤密碼輸入正確、注冊的ID卡識別成功或單片機(jī)收到手機(jī)端App的開鎖命令后，單片機(jī)控制繼電器執(zhí)行開鎖程序，軟件系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

4測試結(jié)果與分析本文在系統(tǒng)硬件、軟件的完成基礎(chǔ)上對智能門鎖系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，以檢驗(yàn)智能門鎖系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，具體測試記錄如下。

（1）按鍵解鎖，在鍵盤上輸入“000000”解鎖密碼，按“Ent”鍵確認(rèn)，門鎖打開，蜂鳴器發(fā)出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語，按“Shut”鍵，門鎖關(guān)閉，蜂鳴器發(fā)出提示聲；當(dāng)門鎖打開狀態(tài)下，按下“Res”重置密碼鍵，輸入新密碼“111111”修改密碼，按“Ent”鍵進(jìn)行確認(rèn)。

（2）ID卡解鎖，用注冊過的ID卡接近無線射頻識別RFID模塊感應(yīng)區(qū)后，門鎖打開，蜂鳴器發(fā)出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語，3 s后自動關(guān)鎖；用未注冊的ID卡接近感應(yīng)區(qū)，門鎖無反應(yīng)。

（3）手機(jī)端App解鎖，在手機(jī)端App輸入IP地址和端口號成功登錄后，點(diǎn)擊“開鎖”按鈕，門鎖打開，蜂鳴器發(fā)出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語；點(diǎn)擊“關(guān)鎖”按鈕，門鎖關(guān)閉，蜂鳴器發(fā)出提示聲，手機(jī)端App顯示“已關(guān)鎖”。

測試證明，本系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了全部預(yù)設(shè)功能，具有較好的人機(jī)互動性。

5結(jié)語本文基于單片機(jī)與無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能門鎖系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠支持按鍵密碼解鎖、ID卡解鎖以及手機(jī)端App解鎖多模式解鎖，有效地實(shí)現(xiàn)了智能門鎖系統(tǒng)的無鑰匙解鎖和遠(yuǎn)程解鎖功能，同時(shí)系統(tǒng)具有實(shí)用可靠、操作性強(qiáng)、價(jià)格較低等優(yōu)良特點(diǎn)，有利于在學(xué)校、工廠宿舍等多用戶場所進(jìn)一步推廣使用。

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（編輯 王永超）

Research and design of intelligent door lock system based on single chip microcomputerLi? Xiaolei， Wang? Xuehe， Cheng? Honghao

（Heze Medical College， Heze 274000， China）Abstract：? This paper uses STC89C52 MCU as the main controller， combined with radio frequency identification （RFID）， wireless WiFi transmission technology to design an intelligent door lock system. Intelligent door lock system contains three unlocking modes， key password unlocking， ID card unlocking and mobile phone App unlocking. This paper elaborated the design principle and testing process of hardware and software of the intelligent door lock system， and effectively realized the keyless unlocking and remote unlocking functions. The experiment shows that the door lock system has the advantages of intelligence， convenience， low cost and high security， and has the value of use and promotion in schools， factory dormitories and other places.

Key words： single chip microcomputer; Internet of Things technology; door lock