引 言

目前，市場上出現(xiàn)了各種智能門鎖，如與手機 GSM 通信相結合的智能門鎖、藍牙智能門鎖和 RFID 電子鎖等 [1-3]。與手機 GSM 相結合的智能門鎖是利用移動通信系統(tǒng)進行遠程控制的門鎖，但是當信號不穩(wěn)定時，控制效果會受到較大影響。藍牙智能門鎖基于藍牙技術進行無線通信，控制門鎖的狀態(tài)，但是藍牙通信的距離有限，且無法反饋用戶門鎖的實時狀態(tài)。RFID 電子鎖是將傳統(tǒng)的鑰匙更換成便攜的 RFID 射頻卡。本文設計并實現(xiàn)了一個通過手機 APP 控制的電磁門鎖系統(tǒng)。

1 硬件設計

1.1 總體設計

智能電磁門鎖系統(tǒng)的主體分為電磁門鎖、單片機控制系統(tǒng)以及手機 APP 控制端三部分，如圖 1 所示。其中，單片機控制系統(tǒng)由 51 單片機、繼電器和 WiFi 模塊構成。手機端APP 與門鎖系統(tǒng)的 WiFi 模塊構成無線網(wǎng)絡，APP 發(fā)送控制指令給單片機控制系統(tǒng)，通過控制繼電器動作實現(xiàn)電磁門鎖的開閉。

                                                                                                                                                                                                                     圖 1 系統(tǒng)設計框圖

1.2 硬件系統(tǒng)設計

智能電磁門鎖系統(tǒng)的硬件部分由 STC89C51單片機、ESP8266WiFi模塊和 AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片等器件組成。

其中單片機起到分析數(shù)據(jù)和初始化系統(tǒng)的作用，WiFi 模塊用于實現(xiàn)智能手機和單片機的通信。單片機最小系統(tǒng)電路主要由電源電路、復位電路和晶振電路構成。控制電路主要由PNP 三極管和 HK4100F-DC 5 V 繼電器構成。PNP 型三極管是低電平驅動元件，輸入低電平三極管飽和，電流即可通過。

智能電磁門鎖系統(tǒng)的設計重點在于實現(xiàn)智能手機 APP 與單片機之間的無線通信。選擇使用 ESP8266 串口 WiFi 模塊，該模塊可通過 AT 指令配置與單片機上的串口通信，還可利用 WiFi 進行數(shù)據(jù)傳輸。并且該模塊具有多種工作模式， 既可作為路由器設置局域網(wǎng)，也可作為終端連接互聯(lián)網(wǎng)，在本文系統(tǒng)中起著通信樞紐的作用。由于該模塊的工作電壓較低，為 3.3 V，而電源電路采用 5 V 電源，因此需要搭配AMS1117-3.3 V 降壓芯片使用。5 V 電源通過降壓芯片后從5 V 降為 3.3 V，從而保證不會燒壞 WiFi 模塊，同時還可為WiFi 模塊提供穩(wěn)定的 3.3 V 工作電壓。

2 軟件系統(tǒng)設計

2.1 單片機主程序設計

系統(tǒng)主程序流程如圖 2 所示。單片機程序部分負責 51 單片機、WiFi 模塊、串口中斷與外部中斷的初始化工作，根據(jù) WiFi 模塊接收到的信息轉化成串口信息后傳遞給單片機， 由單片機執(zhí)行相應的操作。

首先對各個模塊進行初始化，使 ESP8266 WiFi 模塊根據(jù)配置好的數(shù)據(jù)創(chuàng)建連接服務。智能手機驗證密碼與單片機WiFi 模塊通信，通過手機 APP 端向單片機發(fā)送控制指令。單片機在收到手機 APP 發(fā)送的控制指令后，主程序轉至中斷服務程序執(zhí)行相應的操作。單片機根據(jù)指令類型把指令放入不同的內(nèi)部寄存器中，然后讀取存儲在寄存器中的指令，依據(jù)讀取到的控制指令的不同，輸出相應的高低電平到控制電路，實現(xiàn)電磁門鎖的開閉。ESP8266 WiFi 模塊需要 AT 指令控制其創(chuàng)建訪問接入點（Access Point，AP）。為保證單片機和 WiFi 模塊之間正常的數(shù)據(jù)通信，兩端的波特率均設置為9 600 Mbps。設置方法如下 ：

(1) 將定時器 1 的工作模式設定為 16 位定時計數(shù)方式 ；

(2) 賦初始值給 TL1 和 TH1，并根據(jù)晶振大小設置不同的數(shù)值初始化串口 ；

(3) 啟動定時器 TR1；

(4) 設定用于串行數(shù)據(jù)通信控制的可位尋址專用寄存器的工作方式為 10 位異步收發(fā)方式。

單片機接收到控制指令并存儲到寄存器，由單片機讀取指令后發(fā)送給繼電器模塊，利用繼電器的吸合斷開驅動電磁門鎖，從而實現(xiàn)門鎖控制。

2.2 手機 APP開發(fā)

手機 APP 的功能主要包括控制界面的設計、手機與電磁門鎖系統(tǒng)連接狀態(tài)的判斷與顯示、電磁門鎖的打開與關閉控制等。手機 APP 控制主程序流程如圖 3 所示。

                                                                                                                                                                                                                  圖 3 APP 主程序流程圖

手機 APP 控制界面如圖 4 所示。

                                                                                                                                                                                                                  圖 4 手機 APP 控制界面

3 系統(tǒng)調試與分析

本文系統(tǒng)開發(fā)的實物如圖 5 所示。

                                                                                                                                                                                                                       圖 5 系統(tǒng)實物圖

基于單片機的智能電磁門鎖系統(tǒng)調試過程如下 ：

(1) 將 12V供電適配器與 5VUSB電源線連通，系統(tǒng)紅色電源 LED 燈亮起，WiFi 模塊紅色電源燈亮起，藍色指示燈短暫閃爍兩次，單片機系統(tǒng)初始化，WiFi模塊初始化完成。

(2) 打開手機 WLAN 連接系統(tǒng) WiFi模塊的通信網(wǎng)絡， 打開手機上安裝好的本文系統(tǒng)配套 APP—WiFi電磁鎖控制系統(tǒng)，嘗試發(fā)送控制命令，首先判斷是否連接上單片機的test網(wǎng)絡，若是，則重啟 APP即可。

(3) 通過手機向單片機發(fā)送控制指令，每發(fā)送一條控制指令，WiFi模塊上的藍色指示燈會閃爍一次，電磁門鎖便會根據(jù)相應的控制指令執(zhí)行動作。

在調試過程中，連接速度基本維持在 54 Mb/s，若有墻體， WiFi 信號則會出現(xiàn)略微下降，能實現(xiàn)基本的有效控制，連接速度降低為 48 Mb/s。

4 結 語

隨著技術的進步與成熟，智能家居進入了千家萬戶，而智能門鎖作為智能家居的安全防線，其重要性不言而喻。未來，APP 控制智能電磁門鎖系統(tǒng)將會有更大的進步空間，如真正實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)控制以及指紋識別、虹膜識別等更加先進安全的控制手段，人們的生活也會變得更加方便。