基于單片機的WIFI電磁鎖設計

韓瑋韜　韓忠林

摘要： 針對于不法人員使用傳統(tǒng)手段開鎖所帶來的安全隱患，設計了一款基于單片機的WIFI電磁鎖。這款鎖具沒有鑰匙孔，使用手機客戶端控制。用戶可通過網(wǎng)絡和手機客戶端實時監(jiān)控鎖具狀態(tài)，實時修改用戶密碼，提高了鎖的安全性。

Abstract： A kind of WIFI electromagnetic lock based on single chip microcomputer is designed to prevent the illegal unlocking by the traditional methods. This lock has no key hole and can be controlled by mobile client. The user can monitor lock state and modify the password to the lock for improving the safety through the network and mobile client.

關鍵詞： WIFI；單片機；電磁鎖

Key words： WIFI；single chip microcomputer；electromagnetic lock

中圖分類號：TP212.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0120-02

0 引言

防盜門從面世以來一直用于保護家庭的私有財物不受非法侵害，但是中消協(xié)2014年12月2日發(fā)布警示稱許多不法分子幾十秒甚至幾秒就能打開防盜門入室作案造成危害。這些不法子之所以能夠在短時間內(nèi)攻破防盜門的防護主要使用了錫紙開鎖法。在新聞調(diào)查欄目中有記者驗證，借助專門的錫紙工具，普通人都能在短時間內(nèi)打開采用一字鎖、十字鎖或AB鎖等鎖具的防盜門，平均用時不超過60秒。為提高防盜性能，便于用戶使用，先后出現(xiàn)了密碼鎖和遙控鎖等新型鎖具。與機械鎖不同，這些新型鎖具沒有鑰匙孔，即使技術高超的小偷和專業(yè)開鎖公司的員工也很難用傳統(tǒng)手段打開。遙控鎖作為目前最好的防盜鎖具，有廣闊的發(fā)展前景。通常每個遙控鎖具都配備一個與之相配套的遙控器，不便于攜帶。智能手機作為通訊工具已成為必備品。用戶安裝基于單片機的WIFI電磁鎖后，不需要攜帶遙控器，只要攜帶智能手機就可以實現(xiàn)鎖具的控制和狀態(tài)的查詢。

1 原理與結(jié)構(gòu)

基于單片機的WIFI電磁鎖由電磁鎖模塊、WIFI模塊、單片機系統(tǒng)和電源模塊構(gòu)成。電磁鎖模塊包括一個電磁鎖和一個光電反射傳感器。電磁鎖為上電動作鎖，通常狀況下電磁鎖不上電，鎖為上鎖狀態(tài)，僅當電磁鎖上電時，鎖處于打開狀態(tài)。光電反射傳感器用于檢測鎖位置，如果鎖準確回位則該傳感器會輸出高電平信號。WIFI模塊作為熱點，用于建立單片機系統(tǒng)和智能手機之間的信道，實現(xiàn)兩者之間的通訊。單片機系統(tǒng)作為這款鎖具的主控部分負責解析WIFI模塊接收到的命令和電磁鎖具的狀態(tài)控制。如果WIFI模塊接收到來自智能手機客戶端的開鎖命令后，單片機系統(tǒng)通過WIFI模塊和智能手機通訊完成操作者身份驗證。當操作者身份被確認后，單片機系統(tǒng)根據(jù)光電反射傳感器的狀態(tài)控制電磁鎖具的工作狀態(tài)實現(xiàn)開鎖。這款鎖具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

與傳統(tǒng)鎖具相比，這款鎖具安全性能能好，使用簡便，能遠程操控，但也存在傳統(tǒng)機械鎖具所沒有的缺陷，即必須有電源供給遙控鎖具才能工作?？紤]到外部電源供給可能會出現(xiàn)異常停止情況，采用鋰電池組作為系統(tǒng)的后備電源。

2 硬件設計

作為鎖具單片機系統(tǒng)和智能手機之間通訊的紐帶，WIFI模塊性能決定這款鎖具的工作可靠性。WIFI模塊采用ESP8266。這款WIFI模塊具有外圍電路簡單，增強信號輸出，穩(wěn)定性和抗干擾能力強的特點，與單片機之間采用三線異步串行通訊，滿足設計需要。其擴展電路原理圖見圖2。電磁鎖為上電動作型，工作電壓為DC12V。光電反射傳感器采用DC3.3V供電，其輸出信號直接接入單片機。單片機采用STC12LE5A60S2，通過串口與WIFI模塊連接，通過擴展ULN2003驅(qū)動電磁鎖。STC12LE5A60S2單片機能在DC3.3V供電下穩(wěn)定運行，內(nèi)置程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，定時器，全雙工串行通訊口和看門狗電路等片內(nèi)外設，性價比較高，能與WIFI模塊和光電反射傳感器直接擴展連接。ULN2003內(nèi)部集成7個并連續(xù)流二極管的達林頓管，能夠直接驅(qū)動1A電流負載。外部電源以DC5V輸入，經(jīng)可調(diào)直流升壓模塊2577升壓至DC12V驅(qū)動電磁鎖，經(jīng)LM1117模塊穩(wěn)壓為DC3.3V供給單片機系統(tǒng)和WIFI模塊，由鋰電池管理模塊TP4056管理鋰電池組的充電。鋰電池組和鋰電池管理模塊TP4056為后備電源。如果外部電源掉電，立即改由后備電源供電。模塊TP4056具有外圍電路簡單，保護性能好，充電精度高等特點適用于并連鋰電池組的管理。

3 軟件設計

單片機系統(tǒng)程序由主程序、串口通訊中斷子程序和定時中斷子程序構(gòu)成。在主程序中，首先完成單片機系統(tǒng)初始化，例如定時器初始化，中斷初始化，端口狀態(tài)設定等。然后判斷上鎖標志位是否置位。如果上鎖標志位置位，表明鎖具打開時間段已過，需要上鎖，電磁鎖掉電在彈簧力作用下自動復位上鎖。一般鎖具上電的時間段設定為十幾秒到幾十秒。鎖具上電的時間越長，消耗的電能越多。接下來單片機系統(tǒng)判斷是否接收到來自智能手機客戶端的命令。如果沒有接收到命令返回上鎖標志判斷處繼續(xù)。如果確認接受到命令，則單片機系統(tǒng)解析并執(zhí)行該命令。例如單片機系統(tǒng)接收到來自客戶端的開鎖指令，電磁鎖上電開鎖，與此同時復位上鎖標志并置位上鎖定時器標志，開始鎖具關閉定時器的計時。主程序流程圖見圖3。

定時中斷子程序中實現(xiàn)鎖具關閉定時器的倒計時功能，當上鎖定時器標志被置位后，定時器倒計時啟動。當定時時間到后，復位上鎖定時器標志，置位上鎖標志位置位。

單片機系統(tǒng)在串口通訊中斷子程序中接收來自WIFI模塊的智能手機命令。WIFI模塊ESP8266和單片機通過串口連接，參數(shù)設置為：115200波特率，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位起始位和1位停止位。當WIFI模塊接收到來自智能手機客戶端的命令后，以串行方式向單片機系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。當單片機系統(tǒng)需要向智能手機客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需要將數(shù)據(jù)從串行口送出到WIFI模塊，WIFI模塊自主完成向智能手機客戶端的數(shù)據(jù)發(fā)送。因此WIFI模塊對于設計者來說是透明的，單片機系統(tǒng)與智能手機客戶端之間的通訊就如同單片機系統(tǒng)之間采用異步串行通訊一樣簡便。

單片機系統(tǒng)使用中斷方式對串口通訊進行管理。當發(fā)生通訊中斷時，首先檢查是否為接收中斷請求，如果非接收中斷請求則轉(zhuǎn)入發(fā)送中斷處理流程。在接收中斷處理流程中首先判斷是否命令標志位。如果是命令起始標志，則表明將要接收到的是一條新命令，則需要清除接收緩沖區(qū)以便空出空間接收新指令；如果是命令結(jié)束標志位，則置位命令接收標志以備主程序中讀取識別；如果非命令標志位，則寫入接收緩沖區(qū)。而在發(fā)送中斷流程中主要判斷待發(fā)送數(shù)據(jù)是否結(jié)束標志。如果待發(fā)送數(shù)據(jù)非結(jié)束標志，將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器；如果待發(fā)送數(shù)據(jù)是結(jié)束標志放棄操作退出中斷服務程序。通訊中斷服務子程序流程圖見圖4。

4 實驗分析

由于基于單片機的WIFI門鎖沒有鑰匙孔，因此開鎖人員沒有辦法使用錫紙開鎖法等傳統(tǒng)鎖具開鎖方法開鎖。WIFI門鎖的WIFI模塊作為熱點，其無線信號穿透能力較強，在2m范圍內(nèi)智能手機能與安裝在防盜門上的WIFI門鎖建立連接。當出現(xiàn)停電故障時，在1次/小時的開鎖頻率下，后備電源能夠至少維系36小時。

5 結(jié)論

基于單片機的WIFI電磁鎖無需鑰匙孔，杜絕了不法人員使用傳統(tǒng)手段開鎖可能。智能手機客戶端的使用使用戶無需攜帶遙控，不會出現(xiàn)因遙控丟失而帶來的安全隱患。用戶不僅可通過網(wǎng)絡和智能手機客戶端實時監(jiān)控鎖具狀態(tài)，還可實時修改用戶密碼，提高了鎖的安全性。

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