基于“互联网+”的智能门锁控制系统设计

摘  要：为了增强门锁的安全性，在传统门锁的基础上，设计了一种基于“互联网+”的智能门锁控制系统，该系统以STC8单片机为核心，扩展了关门检测、步进电机、蓝牙和Wi-Fi无线接口，实现了一种无线智能门锁控制系统。该门锁可以借助智能手机通过串口蓝牙模块或Wi-Fi模块进行控制，具有智能上锁、远程上锁、无法及时开锁、关门检测等功能，它可以极大地提高门锁的安全性、可靠性、方便性和智能化，对保障人们的生命和财产安全有着重要的意义。

关键词：智能门锁;“互联网+”;STC8单片机;ESP8266

中图分类号：TP273;TP368.2       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0038-04

Abstract：In order to enhance the safety of door locks，on the basis of traditional door locks，a smart door lock control system based on the “internet plus” is designed. With STC8 as the core，the system extends the door closing detection，stepping motor，Bluetooth and Wi-Fi wireless interface，and realizes a wireless intelligent door lock control system. The door lock can be controlled by Bluetooth or Wi-Fi device of smart phone. It has the functions of intelligent locking，remote locking，non technical unlocking and door closing detection. It can greatly improve the safety，reliability，convenience and intellectualization of the door lock，and it is great significance to protect people's life and property safety.

Keywords：intelligent door lock;“internet plus”;STC8 microcontroller;ESP8266

0  引  言

门锁是与人们日常生活联系最为紧密的物品之一，它对保护人们的生命和财产安全有着极其重要的意义。近年来，因钥匙丢失、技术开锁等原因造成的刑事案件屡见不鲜，除了门锁本身的安全性和可靠性之外，该类案件的发生主要是因为当事人的忽略，以及门锁不具备智能上锁或者报警提示的功能导致的。同时，随着社会的发展、科技的进步，人们对门锁的安全性、可靠性、便捷性等要求也越来越高，传统机械门锁的安全性已经越来越不能满足人们的需求。为了提高门锁的安全性、可靠性，提高其智能化程度，本文作者采用STC8单片机、蓝牙和Wi-Fi、步进电机等模块设计了一种无线智能门锁控制系统，该门锁是在原有门锁的基础上又增加的第二道“智能生命防线”，它具有智能上锁、远程上锁、无法被技术开锁、门未关好报警提示等功能，可以通过智能手机或机械钥匙开锁、闭锁等操作。

1  系统总体设计

智能门锁控制系统采用宏晶科技公司最新生产的STC8单片机（STC8A8K64S4）为核心，以“互联网+”技术为依托，扩展了Wi-Fi模块（ESP8266）、串口蓝牙模块（CC25 41）、步进电机、机械钥匙分离装置、关门检测等模块设计而成的。系统总体设计框图如图1所示。

STC8单片机通过Wi-Fi模块接入到互联网中，智能手机可通过互联网即可实现上锁、开锁等操作，智能手机也可以通过串口蓝牙模块实现同样的功能。关门检测采用的是铁感应接近开关，当门完全闭合时，感应接近开关检测到门框上的铁质材料而输出关门信号，此时门锁上锁，当在设定的时间内没有检测到关门信号时，报警器发出报警信号，同时单片机通过互联网向绑定的手机推送门未锁好的信息。智能手机通过Wi-Fi模块或串口蓝牙模块和STC8单片机通信时采用3DES加密算法对数据进行加密，单片机检测开锁信号的合法性，检测到合法的开锁信号后才会驱动步进电机工作，带动齿轮转动打开门锁。为了防止系统停电等原因造成智能手机无法开锁，在门锁机械钥匙之间设计了一个电磁分离装置，系统正常工作时，单片机控制电磁分离装置使得机械钥匙和门锁分离，从而使机械钥匙失效，若系统停电，电磁分离装置在弹簧的作用下自动复位，使得机械钥匙恢复开门功能。

2  系统硬件设计

2.1  系统电源设计

考虑到系统的步进电机可能需要较大的电流，电源模块采用的是MP1584大电流稳压模块，MP1584具有4.5 V ～28.0 V的宽输入电压，它可以输出高达3 A的电流，此处，它把12.0 V电源转换为稳定的5.0 V电源，供给STC8单片机、步进电机、蓝牙模块等，但Wi-Fi模塊（ESP8266）需要3.3 V工作电压，因此，采用一个3.3 V的REG-1117电源模块把5.0 V电压再转换为3.3 V电压，给Wi-Fi模块供电。系统电源设计原理图如图2所示。

2.2  系统主控电路及Wi-Fi模块接口设计

系统主控模块采用的STC8单片机STC8A8K64S4进行设计的，STC8A8K64S4是宏晶科技公司最新开发的超高速8051单片机，它内部有8 K RAM，64 K Flash，4个串行口，12位ADC等丰富资源，并在内部集成了高精度的晶振电路，ISP编程时5 MHz～30 MHz范围可设置，具有速度快、功耗低、抗干扰、资源模块丰富、性价比高、设计方便等优点，可用在智能控制、智能仪器仪表等应用场合。该单片机工作电压为2.0 V～5.5 V，并有多种封装可选，此处采用的是LQFP48引脚的封装，5.0 V工作电压。系统主控电路及无线模块接口原理图如图3所示。

STC8单片机通过串行口3连接Wi-Fi模块ESP8266，通过串行口2连接蓝牙模块。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透传模块，它具有超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。此处ESP8266工作在STA+AP模式，ESP8266既可以通过路由器连接互联网，也可以作为无线接入点，实现与智能手机的互联。Wi-Fi模块主要用于通过互联网和智能手机连接，而蓝牙模块主要是实现与智能手机的点对点连接。图3中的电阻R1、R2、R3是为了实现单片机5.0 V电平和Wi-Fi模块3.3 V电平接口而设置的，如果STC8单片机的I/O口配置在准双向口模式，则该三个电阻可以省去。

在图3中D1、D2为2个LED状态指示灯，可以用来指示系统的工作状态;按键KEY1接在STC8单片机的P3.2引脚，该按键可用做在屋内开锁的开关，在门锁关闭的情况下，按下此开关可以实现开锁，并且该按键的功能可通过智能手机软件进行屏蔽，进一步增加了系统的安全性、方便性和灵活性。STC8单片机的P3.3口接关门检测的铁感应接近开关，如果门没有锁好，它会向STC8单片机输出低电平信号。STC8单片机定时检测P3.3口是否有关门信号，如果在用户设定的时间内没有检测到关门信号，则STC8单片机驱动报警器发出报警信号，同时，通过网络向用户绑定的手机推送门未锁好的提示信息。

2.3  系统步进电机设计

控制门锁开关的步进电机采用的是4相5线减速步进电机24BYJ，使用ULN2003驱动，STC8单片机的P1.3～P1.6四个I/O口通过ULN2003驱动步进电机。ULN2003是高耐压、大电流达林顿晶体管阵列，它工作电压高，工作电流大，可以驱动蜂鸣器、继电器、步进电机等大电流器件。采用步进电机除了计步准确之外，还一个好处是如果门锁的主控电子芯片受到人为强电场的干扰等原因而损坏，没有了主控芯片的控制步进电机是不会自动转动的，因而也不会自动打开门锁。STC8单片机的P2.2口通过ULN2003驱动蜂鸣器发出报警信号。P1.2口通过ULN2003产生SOUT信号驱动一个电磁分离装置，该装置主要用来分离门锁的机械钥匙，也就是说STC8单片机上电后在SOUT口输出一个低电平，使得电磁分离装置分离机械钥匙孔上的齿轮，使得机械钥匙无法开锁;当系统停电时，电磁分离装置上的弹簧会拉动锁栓控制装置复位，使得机械钥匙功能恢复正常，用户可以使用机械钥匙打开门锁。系统步进电机驱动原理图如图4所示。

3  系统软件设计

系统软件设计主要包括门锁控制下位机软件设计和智能手机端APP设计，这里主要论述门锁控制下位机软件设计流程，下位机主要在Keil C开发环境中用C语言编写，并把3DES算法移植到STC8单片机中。

如果系统停电或者系统严重故障，则电磁分离装置在弹簧的作用下自动复位，机械钥匙自动恢复开门功能。如果系统上电正常，则进行系统自检及系统初始化工作，STC8单片机从EEPROM中读取系统的各种参数信息并进行初始化工作。系统初始化完成之后，STC8单片机通过串行口3和Wi-Fi模块连接，并通过Wi-Fi模块连接到互联网，STC8单片机通过串行口发送AT指令对Wi-Fi模块进行配置。首先使用AT指令把模块配置成STA模式，并设置模块要加入的路由信息，如路由器名称及秘密等，为了保证网络数据的可靠性，此处Wi-Fi模块和路由器之间配置为TCP连接方式，之后Wi-Fi模块进入透传模式，等待用户从网络发回的命令。STC8单片机和Wi-Fi模块之间的数据通信是以包为单位的，一包数据包括：包头、数据长度、命令字及CRC校验。STC8单片机的串行口3一直处于中断接收状态，一旦检测到串行口输入数据，则进入串行口3中断服务子程序，如果检测到数据包头0xAA，则再连续接收2个字节的数据包长度，之后根据数据包的长度，在规定的时间内接收数据及CRC校验。

系统连接网络成功之后，首先检测关门传感器的返回信号是否正常，如检测到关门信号不正常（即门未安全关门），系统即通过报警器发出报警信号，并通过互联网把报警信号推送到绑定的智能手机。当系统检测到关门检测传感器信号正常之后就会实时检测通过Wi-Fi模块或串口蓝牙模块传回来的3DES加密信号，如检测到合法的信号，STC8单片机就会调用DES Decrypt函数对数据进行解密，并从解密后的数据中分离出命令码，根据命令码执行相应的操作，如开锁、闭锁、参数设置等。下位机软件设计流程图如图5所示。

4  结  论

本设计在传统机械门锁的基础上增加了智能检测功能，并通过“互联网+”实现一种智能门锁控制系统，“互联网+”智能门锁是未来锁业发展的必然趋势，它可以极大地提高门锁的安全性、可靠性、方便性和智能化程度。该类门锁系统在保障人们的生命和财产安全、减少因门锁安全造成的各种刑事案件的发生等方面所带来的间接经济效益更是无法估算的。因此，该智能门锁的研发和推广应用有较高的经济效益和显著的社会效益，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 陈剑栋，张林，彭国文.基于ZigBee技术的智能门锁系统设计 [J].现代信息科技，2019，07.

[2] 宏晶科技公司.STC8A8K64S4系列單片机器件手册 [EB/OL].（2020-07-26）.http：//www.stcmcudata.com/STC8F-DATASHEET/STC8A-STC8F-20201016.pdf.

[3] 乐鑫信息科技（上海）股份有限公司.ESP8266技术参考手册 [DB/OL].（2020-07-26）.https：//www.espressif.com/zh-hans/support/documents/technical-documents.

[4] 赵景波，张伟.Protel 99 SE实用教程：第3版 [M].北京：人民邮电出版社，2017.

[5] 徐爱钧.单片机原理与应用——基于C51及Proteus仿真 [M].北京：清华大学出版社，2015.

作者简介：常国权（1973—），男，汉族，河南清丰人，副教授，硕士，研究方向：嵌入式技术应用与开发。