基于ESP8266 的智能指紋門鎖

王兆偉 劉玉嬌 杜朝涵 董曉杰 黃健文

摘要：為了改進(jìn) WiFi門鎖，提高可靠性，降低生產(chǎn)成本，提出了基于 ESP8266的智能指紋門鎖的控制方案，設(shè)計(jì)了一款基于 ESP8266WiFi模塊以STM32F103單片機(jī)為控制核心通過云平臺(tái)控制的 WiFi指紋門鎖。ESP8266通過 GAgent 接入機(jī)智云平臺(tái)，GAgent進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為手機(jī)，單片機(jī)數(shù)據(jù)，云平臺(tái)建立起一個(gè)橋梁。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了以下功能：指紋錄入單片機(jī)指紋庫中，在進(jìn)行開鎖時(shí)與指紋庫進(jìn)行比對(duì)，覺定是否開門;獲取溫度濕度信息，顯示在手機(jī) APP上;并能通過手機(jī) APP開關(guān)門鎖。

關(guān)鍵詞：WiFi門鎖;指紋開鎖;單片機(jī)控制;物聯(lián)網(wǎng)

1.背景

隨著人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的日益關(guān)注，現(xiàn)在的生活越來越智能化。對(duì)于家庭安全的第一道防線——門鎖應(yīng)該走在智能化的前列 [1]。近年來，智能門鎖層出不窮，各種各樣的智能門鎖出現(xiàn)在人們的生活中。這些門鎖在一定的程度上確實(shí)提高了門鎖的安全性，增加的生活的智能化。但在遠(yuǎn)程開鎖或者說不接觸開鎖方面有較多不足。為解決上述的不足設(shè)計(jì)了這款WiFi智能指紋門鎖。不用攜帶鑰匙，只需要通過現(xiàn)在人們必不可少的手機(jī)控制門鎖，還可以減少鑰匙的生產(chǎn)，節(jié)約資源。也降低了鑰匙丟失，門鎖被開的風(fēng)險(xiǎn)。即使手機(jī)沒電還可以通過指紋打卡門鎖，更加方便。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過 DHT11收集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過 MUC的處理，將數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái)，云平臺(tái)經(jīng)過處理顯示在手機(jī) APP上;手機(jī) APP可以設(shè)定一個(gè)警報(bào)值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過警報(bào)值時(shí)，云端會(huì)向手機(jī)發(fā)送警告，手機(jī)會(huì)顯示溫度濕度過高;手機(jī) APP還可以控制開關(guān)門鎖，并且手機(jī)不能操作時(shí)可以通過指紋開鎖，打開門鎖。因此實(shí)現(xiàn)了雙重保障，就算手機(jī)丟失或者手機(jī)沒電，都可以開鎖。

3.WiFi門鎖的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以 STM32F103單片機(jī)為核心MUC，通過 ESP8266WiFi模塊進(jìn)行手機(jī) APP、云平臺(tái)、門鎖的通信，還能通過 DHT11獲取溫濕度信息，ATK-301電容指紋識(shí)別模塊進(jìn)行指紋識(shí)別控制開關(guān)鎖。手機(jī) APP可以收到來自云端的溫濕度數(shù)據(jù)，并能通過 APP控制開關(guān)鎖。

3.1 ATK-ESP8266 WiFi通信模塊

本系統(tǒng)通信是采用的 ESP8266WiFi模塊，ESP8266是低功耗，高集成的 WiFi芯片。ESP8266是現(xiàn)在較為流行的一個(gè)遠(yuǎn)程控制模塊，ATK-ESP8266支持 STA/AP/STA+AP三種工作模式，ESP8266與云平臺(tái)的通信是基于串口協(xié)議數(shù)據(jù)的封包和解析，所以本設(shè)計(jì)需要燒寫機(jī)智云GAgent固件覆蓋原來的 AT指令。大概流程為開始進(jìn)行初始化，ESP8266通過按鍵配置入網(wǎng)，連接到云端服務(wù)系統(tǒng)，WiFi設(shè)備會(huì)收到來自云端或者APP端發(fā)送的數(shù)據(jù)，接受完成后，通過協(xié)議幀的格式發(fā)送給 MCU，MCU收到后存到緩沖器，過一段時(shí)間對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行抓包，抓包后解析，解析后推到數(shù)據(jù)事件處理，然后執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自己的邏輯，MCU將采集到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議幀格式打包發(fā)送給 WiFi設(shè)備，WiFi設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳給云端服務(wù)器 [2]。

3.2 ATK-301指紋識(shí)別模塊

ATK-301電容指紋識(shí)別模塊是一款高性能的電容半導(dǎo)體指紋識(shí)別模塊。采用按壓式電容指紋傳感器，具有識(shí)別速度快，體積小，功耗低的特點(diǎn)，而且具備串口通信協(xié)議，即無需進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理以及指紋識(shí)別的算法，只需要簡單的串口通信便可以控制模塊。在生活中的各種指紋機(jī)、保險(xiǎn)柜、指紋門禁系統(tǒng)中大量使用，故本設(shè)計(jì)采取 ATK-301指紋識(shí)別模塊。

3.3 DHT11溫濕度感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)采用 DHT11溫濕度感應(yīng)模塊，若精度不夠可換為DS18B20。其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度 20-90%RH，溫度 0～50℃。DHT11上電后需要等待一分鐘越過不穩(wěn)定的狀態(tài)，一次通信的時(shí)間大約為4ms，傳輸數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit。所以具超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。基于以上優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用 DHT11溫濕度模塊為感應(yīng)模塊。

3.4 電磁鎖模塊

電磁鎖是利用電生磁的原理制成的。 [1]當(dāng)有電流通過電磁線圈時(shí)，電磁線圈就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力將鎖舌吸回，以達(dá)到開鎖的目的。當(dāng)不通電時(shí)，電磁線圈不會(huì)產(chǎn)生吸引力，故鎖舌不動(dòng)，門鎖不開。

3.5 STM32F103核心 MCU

STM32F103ZET6有 32位高性能的 ARM Cortex-M3處理器;72M的高速時(shí)鐘;114個(gè)引腳;112個(gè) I/O口;512K的 FLASH，64K的 SRAM;還有 16M的外部高速晶振;鑒于以上屬性，STM32F103ZET6完全可以勝任核心 MCU的工作。

3.6 云平臺(tái)

本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)智云平臺(tái)，機(jī)智云是一個(gè)智能硬件自助開發(fā)以及云平臺(tái)服務(wù)的服務(wù)商，在全球物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)方面都有卓越的地位。為開發(fā)者提供了一個(gè)從產(chǎn)品定義，設(shè)備測試，應(yīng)用調(diào)試，云端開發(fā)，數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)。機(jī)智云通過傻瓜式的自助工具、完善的 SDK以及API服務(wù)降低了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的門檻。機(jī)智云的開發(fā)步驟簡單介紹為：創(chuàng)建產(chǎn)品、創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)、手機(jī)安裝 APP、數(shù)據(jù)點(diǎn)測試、代碼自動(dòng)生成、移植代碼、ESP8266燒錄 GAgent固件、配置WiFi、完成控制。

4.測試過程

首先進(jìn)行 WiFi的配置，長按 key1，進(jìn)入配置模式，打開手機(jī) APP，完成配置，完成配置后，手機(jī) APP會(huì)讀取到來自 DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)，顯示在手機(jī)溫濕度對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目中，設(shè)定報(bào)警的數(shù)值，設(shè)定完成后，用熱水對(duì) DHT11進(jìn)行加熱加濕，明顯超過設(shè)定值后，在手機(jī) APP端顯示溫度超標(biāo)和濕度超標(biāo);點(diǎn)擊開鎖，可以看見電磁鎖鎖舌收縮，完成開鎖，在次點(diǎn)擊，可見鎖舌彈出，完成關(guān)鎖;在 MUC中錄入指紋后，在不進(jìn)行手機(jī)開鎖的情況下，把手放到指紋檢查位置，門鎖打開，當(dāng)手指移動(dòng)或者拿開時(shí)，門鎖鎖舌迅速回彈，完成關(guān)鎖。重復(fù)上述操作 100次，僅有 1次因網(wǎng)絡(luò)配置原因，開鎖失敗，故成功率 99%，可以斷定本設(shè)計(jì)較為合理可行。

5.結(jié)論

該門鎖使家用門鎖智能化，讓我們的生活更加智能。一般的門鎖需要鑰匙開鎖，如果我們忘帶鑰匙那我們?cè)陂T口就會(huì)無能為力。但是應(yīng)用 WiFi智能指紋門鎖，就算沒有鑰匙我們也能通過手機(jī) app開鎖，當(dāng)停電或者 WiFi不在線時(shí)也能通過指紋解鎖。這樣就可以減少鑰匙的使用。也可以節(jié)省鑰匙的資源，也不用擔(dān)心鑰匙丟失。只需要一個(gè)智能手機(jī)就能解決所有問題。這樣我們的生活就會(huì)更智能。

可以在室外觀察室內(nèi)溫濕度，可以觀察好室內(nèi)的狀況，室外進(jìn)入室內(nèi)溫度的驟變引起的不適可以有效減緩。

參考文獻(xiàn)

[1]何永明，張琴，張偉彬，龍馨宇，張新賀.智能門鎖的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（11）：100+102.

[2]李準(zhǔn)，郭永剛.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].高原農(nóng)業(yè)，2019，3（05）：566-570.

[3]馬海霞，高偉豪，曾超華，翁鴻佳，葉恒卓.基于 WiFi的無線智能門鎖設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（21）：160-163+171.

作者簡介：王兆偉，1998年 12月出生，男，漢族，在校學(xué)生，山東省濰坊市，本科，電氣工程專業(yè)，電氣研究方向。