基于STM32的無線門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉露，李茹欣，李磊，趙德生

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京，211800)

1 研究背景

門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上的門禁系統(tǒng)一般是使用射頻卡和靜態(tài)密碼的系統(tǒng)，只完成進(jìn)出功能，且使用成本較高，不能滿足實(shí)驗(yàn)室的日常管理需求。目前很多高校的實(shí)驗(yàn)室仍然使用傳統(tǒng)的機(jī)械門鎖，實(shí)驗(yàn)員同時(shí)需要管理多個(gè)實(shí)驗(yàn)室鑰匙，衛(wèi)生負(fù)責(zé)人員也需要借用鑰匙才能打開門鎖，一旦管理員出差或請(qǐng)假，實(shí)驗(yàn)室的使用就會(huì)滯后[1-3]。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的無線門禁控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)機(jī)兩部分組成。主機(jī)為實(shí)驗(yàn)室管理員的安卓系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，該APP軟件可以顯示實(shí)驗(yàn)室門鎖的開關(guān)狀態(tài)，可以遠(yuǎn)程打開實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)。從機(jī)系統(tǒng)部分以stm32f407為控制核心，以tft液晶顯示模塊和矩陣按鍵模塊為人機(jī)交互界面。當(dāng)管理員在APP中輸入需要開鎖的實(shí)訓(xùn)室門號(hào)后，點(diǎn)擊開鎖按鈕，手機(jī)APP通過無線wifi將開鎖信號(hào)發(fā)送到從機(jī)系統(tǒng)控制模塊，控制模塊接收到開鎖命令后，驅(qū)動(dòng)門鎖電控系統(tǒng)打開門鎖。門鎖打開后返回信號(hào)到手機(jī)APP，顯示成功開鎖信號(hào)。

若管理員繁忙時(shí)，其他工作人員需要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，則可以在從機(jī)系統(tǒng)，通過按鍵模塊和液晶顯示模塊輸入開鎖密碼，將實(shí)驗(yàn)室門鎖打開。該門禁系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室提供財(cái)產(chǎn)安全保障并且能減輕管理員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

3 無線門禁系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無線開門系統(tǒng)的硬件模塊主要包括7個(gè)模塊：STM32最小控制系統(tǒng)、tft液晶顯示模塊、矩陣按鍵模塊、無線wifi控制模塊、門鎖電控模塊、系統(tǒng)電源模塊、手機(jī)。硬件系統(tǒng)總體連接框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件連接圖

3.1 STM32f407最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，遠(yuǎn)程開門系統(tǒng)控制核心采用普中科技的T100開發(fā)板。該開發(fā)板以stm32f407ZGT6為控制核心，該芯片工作頻率為168MHZ，大部分的I/O口都能耐5V電壓，具有192K SRAM和1024K flash；具有3個(gè)串口，3個(gè)SPI等豐富的資源。非常適合智能和物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

3.2 無線wifi控制模塊

目前，在大部分的無線開發(fā)系統(tǒng)中主要使用的無線通信模塊有2.4G ZigBee、藍(lán)牙無線通信、wifi無線通信等。2.4G ZigBee無線串口收發(fā)模塊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)廣播模式，主從通信至少需要2塊通信模塊。若本系統(tǒng)采用ZigBee無線模塊通信，則控制系統(tǒng)更復(fù)雜，成本更高，無法使用現(xiàn)有的手機(jī)資源。無線串口透?jìng)魍ㄓ岺C-06藍(lán)牙模塊，可與手機(jī)藍(lán)牙相連，進(jìn)行通信。但藍(lán)牙模塊在空曠地的通信距離只有10米，適合短距離通信。對(duì)于無線門禁系統(tǒng)這類遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，藍(lán)牙模塊是不適用的。

因此，本次設(shè)計(jì)采用了ATK- ESP8266串口轉(zhuǎn)wifi無線通信模塊。STM32f407通信，硬件連接圖如圖2所示。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與wifi之間的轉(zhuǎn)換。該模塊有兩種工作模式STA模式和AP模式，在本文系統(tǒng)中采用STA模式，即ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖2 wifi控制連接圖

3.3 門鎖驅(qū)動(dòng)控制模塊

在本文設(shè)計(jì)的無線門禁控制系統(tǒng)中，電控鎖為動(dòng)作執(zhí)行部件，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本系統(tǒng)采用了海瑞科技的常閉電插鎖，該電控鎖為6線帶鎖芯信號(hào)偵測(cè)，通電開鎖，斷電上鎖，帶3檔延時(shí)調(diào)解功能，這樣鎖舌在下鎖的時(shí)候不會(huì)與鎖扣摩擦，可以有效延長(zhǎng)鎖舌的壽命。

電控鎖的控制電路如圖3所示，當(dāng)STM32收到開鎖信號(hào)后，輸出高電平信號(hào)到三極管Q11的基極，Q11導(dǎo)通，Q12的基極變?yōu)榈碗娖剑琎12不導(dǎo)通，繼電器線圈不得電，繼電器不動(dòng)作。門鎖連接在繼電器的常閉端得電，門鎖打開，處于開鎖狀態(tài)。反之，如果STM32輸出低電平，Q11不導(dǎo)通，Q12基極為高電平，Q12導(dǎo)通，繼電器線圈得電，繼電器動(dòng)作。門鎖連接在繼電器的常閉失電，門鎖閉合，處于關(guān)閉鎖死狀態(tài)。

圖3 電控鎖控制電路

3.4 按鍵輸入模塊

由于實(shí)驗(yàn)室不僅僅是管理員進(jìn)入，還有負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生的人員需要進(jìn)入，若實(shí)驗(yàn)室管理員繁忙，則門禁系統(tǒng)需要通過按鍵模塊和液晶顯示模塊輸入開鎖密碼打開實(shí)驗(yàn)室。因此，門禁系統(tǒng)要設(shè)計(jì)按鍵模塊。

根據(jù)實(shí)際需求，實(shí)驗(yàn)室門牌號(hào)是由0～9的10個(gè)數(shù)字中的某3個(gè)數(shù)字組成，開門密碼由6個(gè)數(shù)字組成。另外還需要一個(gè)刪除鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵，因此將鍵盤設(shè)計(jì)成4×3的矩陣鍵盤能滿足需求。

3.5 tft液晶顯示模塊

tft觸摸屏顯示系統(tǒng)時(shí)間和輸入密碼。本系統(tǒng)采用的觸摸屏是OPEN- SMART的2.4寸串口tft液晶屏，它采用了標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，因此在使用時(shí)接線簡(jiǎn)單，兼容性強(qiáng)。它的內(nèi)置功能很完善，只需要幾句命令即可顯示字符和數(shù)字，完全滿足本系統(tǒng)的使用。

3.6 電源模塊

本系統(tǒng)采用供電方式是線性電源供電和電池模塊供電，其中線性電源作為常用供電方式，電池模塊作為備用，在停電時(shí)使用。系統(tǒng)中需要的電源模塊主要有以下3部分：第一部分是3.3V電源，主要供給STM32控制模塊、無線wifi模塊和tft液晶顯示模塊。第二部分5V電源供給鍵盤模塊和電控鎖控制電路。第三部分是12V電源，供給電控鎖。

4 門禁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序包括上位機(jī)基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)APP控制程序和下位機(jī)STM32控制系統(tǒng)程序。下位機(jī)STM32控制系統(tǒng)的程序主要包括初始化、顯示模塊程序、4*3矩陣鍵盤程序、wifi通信程序以及門鎖驅(qū)動(dòng)程序，下位機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

顯示屏初始化程序：

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無線門禁控制系統(tǒng)，綜合應(yīng)用了無線通信技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室門鎖的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室提供財(cái)產(chǎn)安全保障并且能減輕管理員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。