具有RFID和WIFI控制的密碼鎖設計

上海電子工業學校電子與通信技術系 張 帆

具有RFID和WIFI控制的密碼鎖設計

上海電子工業學校電子與通信技術系 張 帆

隨著電子技術的發展，電子鎖在日常生活中的應用日趨廣泛，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計，通過單片機對相應模塊的信號采集和控制應用實現對電電磁鎖的開關控制，將對該系統的硬件設計和軟件設計進行分析，并對其使用方法和測試過程進行介紹。

RFID；WIFI；密碼鎖；單片機

本系統主要通過RFID模塊、WiFi模塊和鍵盤輸入來實現對電磁鎖的控制，通過微控制器對信號的采集和處理實現相應的控制功能。本系統利用RFID標簽或具有WiFi功能的手機代替傳統的鑰匙來開關門鎖，同時也可以通過系統上的鍵盤進行密碼開鎖。系統硬件部分主要包括兩個部分：首先是安裝在門上的電磁鎖，通過系統發出的控制信號控制其通斷電實現門鎖的鎖和開；其次是可以安裝在門附近的控制系統，負責RFID感應和WiFi信號接收。下面將對該系統的設計進行分析。

1.總體設計

該系統的設計主要包括兩部分：硬件系統設計和軟件系統設計，硬件包括STC12C5A單片機系統、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計。

同時考慮到整個系統的工作環境，抗干擾的設計必須貫穿于整個軟硬件的設計過程。

本系統選用宏晶公司的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，同時設計了4*4矩陣式鍵盤和LCD12864顯示模塊電路。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1　系統硬件電路框圖

圖2　單片機控制系統原理圖

2.各主要模塊的硬件電路分析

2.1單片機的主控系統

單片機的主控系統是使單片機工作而為單片機提供各種電源及外圍的電路所構成的電路，設計的內容主要包括以下幾個部分：電源模塊電路、時鐘電路、復位電路、以及使單片機為完成在系統這些功能而進行的單片機的各功能引腳的設置與分配，其電路圖如圖2所示。

圖3　按鍵和顯示電路原理圖

2.2按鍵與顯示電路設計

本系統設計了4*4的矩陣式按鍵鍵盤，通過按鍵可以進行密碼的設置、輸入，菜單的選擇等功能，顯示模塊選擇了LCD12864以顯示豐富的內容，同時考慮到實際應用過程中的功耗和實用性，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模塊電路的設計

本系統設選擇了MFRC522進行電子標簽的識別，MFRC522是高度集成的非接觸式（13.56MHz）讀寫卡芯片。此發送模塊利用調制和解調的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協議中（13.56MHz）。MFRC522的內部發送器部分可驅動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE卡和應答機的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個功能強大和高效的解調和譯碼電路，用來處理兼容ISO 14443A/MIFARE的卡和應答機的信號。數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標準）器件。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達 424kbit/s。本系統中將其設置為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模塊電路的設計

通過手機的上位機APP可以實現對電磁鎖的開關控制，本模塊電路選擇了ESP8266模塊作為WiFi信號收發，ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案，能夠搭載軟件應用或通過另一個應用處理器卸載所有Wi-Fi網絡功能。ESP8266在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖存儲器有利于提高系統性能，并減少內存需求。另外一種情況是，無線上網接入承擔Wi-Fi適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，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用的特定設備，實現了最低前期的開發和運行中最少地占用系統資源。ESP8266高度片內集成，包括天線開關balun、電源管理轉換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內的整個解決方案在設計時將所占PCB空間降到最低。裝有ESP8266的系統表現出來的領先特征有：節能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無線電偏置、前端信號的處理功能、故障排除和無線電系統共存特性為消除蜂窩/藍牙/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存儲電路的設計

單片機處理系統需要對設置的密碼和卡號進行存儲、注冊和記錄等操作，需要對已經設置和注冊的信息進行記錄和重新上電后的調用，所以系統設置了EEPROM對上述信息進行存儲。本系統同選擇了具有IIC接口的AT24C08作為存儲芯片，通過單片機的軟件虛擬IIC協議進行數據的存儲和加載。EEPROM存儲電路的原理圖如圖6所示。

2.6電源電路的設計

考慮到實用性原則本系統選擇了DC12V開關電源作為電源輸入，該部分的電路設計包括為單片機提供的+5V電源的設計，選擇了7805 LDO芯片，同時需要給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.系統的程序設計

系統的程序設計主要包括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。系統初始化后進入按鍵檢測程序，可以通過按鍵進行密碼的輸入、設置和修改、卡的注冊等操作，同時也檢測是否有卡并對卡的信息進行讀取和比對，如果此卡已注冊則發出開鎖信號，如果檢測到WiFi模塊發送來的開鎖信號也將發出開鎖信號，系統的程序流程圖如圖8所示。

圖8　程序流程圖

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

［2］錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.3.

［3］廣州周立功單片機發展有限公司.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