基于STM32的无线门禁控制系统设计

刘露，李茹欣，李磊，赵德生

(南京铁道职业技术学院,江苏南京，211800)

1 研究背景

门禁系统是新型现代化公共安全管理系统。目前市场上的门禁系统一般是使用射频卡和静态密码的系统，只完成进出功能，且使用成本较高，不能满足实验室的日常管理需求。目前很多高校的实验室仍然使用传统的机械门锁，实验员同时需要管理多个实验室钥匙，卫生负责人员也需要借用钥匙才能打开门锁，一旦管理员出差或请假，实验室的使用就会滞后[1-3]。针对这些问题，本文设计了一套针对高校实验室的无线门禁控制系统。

2 系统总体方案设计

本文所设计的实验室门禁系统由上位机和下位机机两部分组成。主机为实验室管理员的安卓系统的手机APP软件，该APP软件可以显示实验室门锁的开关状态，可以远程打开实验室门禁系统。从机系统部分以stm32f407为控制核心，以tft液晶显示模块和矩阵按键模块为人机交互界面。当管理员在APP中输入需要开锁的实训室门号后，点击开锁按钮，手机APP通过无线wifi将开锁信号发送到从机系统控制模块，控制模块接收到开锁命令后，驱动门锁电控系统打开门锁。门锁打开后返回信号到手机APP，显示成功开锁信号。

若管理员繁忙时，其他工作人员需要进入实验室，则可以在从机系统，通过按键模块和液晶显示模块输入开锁密码，将实验室门锁打开。该门禁系统能够为实验室提供财产安全保障并且能减轻管理员的劳动负担。

3 无线门禁系统硬件模块设计

本文所设计的无线开门系统的硬件模块主要包括7个模块：STM32最小控制系统、tft液晶显示模块、矩阵按键模块、无线wifi控制模块、门锁电控模块、系统电源模块、手机。硬件系统总体连接框图如图1所示。

图1 系统总体硬件连接图

3.1 STM32f407最小系统设计

根据控制要求，远程开门系统控制核心采用普中科技的T100开发板。该开发板以stm32f407ZGT6为控制核心，该芯片工作频率为168MHZ，大部分的I/O口都能耐5V电压，具有192K SRAM和1024K flash；具有3个串口，3个SPI等丰富的资源。非常适合智能和物联网等系统的设计开发。

3.2 无线wifi控制模块

目前，在大部分的无线开发系统中主要使用的无线通信模块有2.4G ZigBee、蓝牙无线通信、wifi无线通信等。2.4G ZigBee无线串口收发模块采用点对点广播模式，主从通信至少需要2块通信模块。若本系统采用ZigBee无线模块通信，则控制系统更复杂，成本更高，无法使用现有的手机资源。无线串口透传通讯HC-06蓝牙模块，可与手机蓝牙相连，进行通信。但蓝牙模块在空旷地的通信距离只有10米，适合短距离通信。对于无线门禁系统这类远程控制系统，蓝牙模块是不适用的。

因此，本次设计采用了ATK- ESP8266串口转wifi无线通信模块。STM32f407通信，硬件连接图如图2所示。内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与wifi之间的转换。该模块有两种工作模式STA模式和AP模式，在本文系统中采用STA模式，即ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机通过互联网实现对设备的远程控制。

图2 wifi控制连接图

3.3 门锁驱动控制模块

在本文设计的无线门禁控制系统中，电控锁为动作执行部件，其质量的好坏直接关系到整个系统的稳定性。因此本系统采用了海瑞科技的常闭电插锁，该电控锁为6线带锁芯信号侦测，通电开锁，断电上锁，带3档延时调解功能，这样锁舌在下锁的时候不会与锁扣摩擦，可以有效延长锁舌的寿命。

电控锁的控制电路如图3所示，当STM32收到开锁信号后，输出高电平信号到三极管Q11的基极，Q11导通，Q12的基极变为低电平，Q12不导通，继电器线圈不得电，继电器不动作。门锁连接在继电器的常闭端得电，门锁打开，处于开锁状态。反之，如果STM32输出低电平，Q11不导通，Q12基极为高电平，Q12导通，继电器线圈得电，继电器动作。门锁连接在继电器的常闭失电，门锁闭合，处于关闭锁死状态。

图3 电控锁控制电路

3.4 按键输入模块

由于实验室不仅仅是管理员进入，还有负责实验室卫生的人员需要进入，若实验室管理员繁忙，则门禁系统需要通过按键模块和液晶显示模块输入开锁密码打开实验室。因此，门禁系统要设计按键模块。

根据实际需求，实验室门牌号是由0～9的10个数字中的某3个数字组成，开门密码由6个数字组成。另外还需要一个删除键和一个确认键，因此将键盘设计成4×3的矩阵键盘能满足需求。

3.5 tft液晶显示模块

tft触摸屏显示系统时间和输入密码。本系统采用的触摸屏是OPEN- SMART的2.4寸串口tft液晶屏，它采用了标准的UART接口，因此在使用时接线简单，兼容性强。它的内置功能很完善，只需要几句命令即可显示字符和数字，完全满足本系统的使用。

3.6 电源模块

本系统采用供电方式是线性电源供电和电池模块供电，其中线性电源作为常用供电方式，电池模块作为备用，在停电时使用。系统中需要的电源模块主要有以下3部分：第一部分是3.3V电源，主要供给STM32控制模块、无线wifi模块和tft液晶显示模块。第二部分5V电源供给键盘模块和电控锁控制电路。第三部分是12V电源，供给电控锁。

4 门禁系统软件设计

系统软件程序包括上位机基于安卓系统的手机APP控制程序和下位机STM32控制系统程序。下位机STM32控制系统的程序主要包括初始化、显示模块程序、4*3矩阵键盘程序、wifi通信程序以及门锁驱动程序，下位机系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程

显示屏初始化程序：

5 结论

本文设计的无线门禁控制系统，综合应用了无线通信技术和单片机控制技术，以实现对实验室门锁的远程控制，系统能够为实验室提供财产安全保障并且能减轻管理员的劳动负担。