基于STM8和nRF24L01的智能车库门控制系统设计*

李 敏， 夏跃武， 乔 斌

(芜湖职业技术学院 信息工程学院，安徽 芜湖 241006)

1 智能车库门控制系统设计意义

随着国内汽车产业的快速发展和消费者汽车需求量逐年增加，以及消费者对汽车的安全停放意识逐渐增强，便捷的车库门操作越来越受到用户青睐[1]。传统的车库门是人工手拉式，操作非常笨重，而目前小区内虽然安装了电动车库门控制系统，但多数并未将库门是否关上，关闭时是否门下有人，车库打开和关闭时是否碰到障碍物出现过载等问题及时告知客户[2]，从而存在大量安全隐患，而且市场上车库门控制系统大多采用频率为315 MHz或433 MHz的控制器简单实现车库的开启和关闭，车库门控制器遥控距离受外界因素影响很大，诸如遥控器供电不足，控制器与车库门之间的屏蔽太强以及天气状况和周边的电磁干扰[3]，使得车库门控制系统的稳定性较差，并且在发送和接收端采用传统人工编码方式，编码位数受到硬件限制，容易出现重码，若因操作员疏忽使得编码设计重复或编错则难以检查出来，而该系统摒弃了人工编码步骤，采用了自学习方式的软件编码，解决了传统人工编码重复率高的问题，只要在控制器使用前进行编码学习，则可自动完成接收发送一对一编码。同时该系统配备在停电情况下，由蓄电池供电控制电机内的离合器，保证在无市电时仍可轻松开启或关闭车库门。鉴于上述因素，设计智能车库门控制系统对未来小区智能化管理起着重要作用。

2 智能车库门控制系统总体架构

图1 智能车库门控制系统总体架构

智能车库门控制系统主要分为远程遥控系统和接收控制系统两部分。远程遥控系统由STM8S105K4单片机、nRF24l01 无线收发电路和相应车库门反馈报警、显示电路构成，系统可通过软件设置AES密钥和编码，从而解决遥控一对一，保证了库门控制安全可靠，为防止用户误按键，该遥控发送端还设有按键上锁和解锁功能。使用前必须按下解锁键后才可操作车库门，通过 nRF24l01无线收发模块将运行状态传送至控制系统接收端，执行相应操作。为节省发送端功耗，在规定时间内没有按键单片机设置为待机状态。接收控制系统分为系统供电电路、STM8S105K4单片机核心电路、nRF24l01 无线收发电路、AD采集电路、电池充电电路、车库门电机控制电路、故障报警输出以及按键输入几部分。接收系统收到信息后由STM8单片机输出控制车库门运行。系统可实现点动和常动控制，长按开启或关闭车库门按键超过5 s后，库门电机将一直运行，直到再一次点动按下此键，则库门电机停止工作，库门电机在运行中，若遇到有障碍物或电机自身问题导致过流，则停止工作，并通过nRF24l01发送报警数据至遥控发送端，在发送端LCD上显示电机故障，若出现停电时，通过继电器触点切换到12 V蓄电池供电，由蓄电池提供电机内离合器电源，保证车库门可手动轻松开启或关闭，为防止蓄电池长时间供电而导致馈电，该系统接收控制端采用12 V蓄电池充电电路，应用TI公司TL494作为核心控制芯片，实现蓄电池智能充电[4]。系统总体架构如图1所示。

该系统硬件包括发送端和接收端电路，遥控发送端电路由STM8S105和NRF24L01以及外围IO构成。STM8S105K4通过SPI总线与NRF24L01通信，STM8S105的PC7 接 MISO，PC6接 MOSI，PC5 接 SCK，PE5 接24L10_CE，STM8S105K4的PD5-PD3以及PC4分别接开启和关闭车库门按键，加锁和解锁键，PD2作为接收发送握手成功指示灯信号，PD0作为接收端反馈报警指示灯，同时报警输出至扬声器，从节省功耗考虑，在接收端连接工作电压为3.3 V、SPI总线接口的5110LCD屏，作为故障反馈和自学习状态显示。

图2 遥控发送端硬件主控电路

为降低功耗在无故障情况下关闭液晶显示，单片机PD6、PD7、PF4、PB5、PB4接口分别与5110液晶屏的RST 、SCE、MISO、MOSI、SCK引脚连接，由于该单片机SPI总线有限，因此单片机模拟SPI总线时序与5110LCD进行数据传输。发送端硬件主控电路如图2所示。接收端电路由STM8S105K4和nRF24L01以及电机控制电路，故障报警电路、AD采样电路以及蓄电池充电电路构成，用户解锁后进行车库门操作，接收端接收信号后，STM8S105K4单片机通过PD0、PD1口控制继电器实现库门的开启与关闭及停止控制，PB0作为电机故障的AD采集信号端口，PB1作为蓄电池充电电流采集信号接口。

3 智能车库门控制系统软件设计

3.1 遥控发送端软件设计

发送端系统初始化后，查询是否有键按下，若无任何操作，系统进入待机模式；如果有键按下则检查是否是解锁或加锁键，若是则进入相应功能，如果不是以上两键，则等待解锁或加锁操作。解锁后，判断是否有控制端发来的学习功能请求，即是否对遥控端和接收端的128 bit密钥和编码进行一对一设置，若有请求则在5110屏上显示操作，发送端使用STM8S105K4芯片自带的Unique ID，Unique ID是ST公司在芯片出厂时固化在内部寄存器中的数据，该数据保证了芯片唯一性，把该ID加入到通信数据帧中作为唯一标识。在使用前，接收和发送端要进行学习设置，即库门接收控制端通过按键进入学习接收模式，待发送端任意按下开启或关闭键，接收端收到数据帧后，会把该帧里的Unique ID提取存入芯片的EEPROM中。若再次接收到数据帧后，进行EEPROM中的ID和收到ID校验，一致则解析数据帧，执行相应库门操作，否则丢弃数据[5]。为了确保数据通信安全性，该系统使用128 bit AES数据帧加密。系统操作完成后，判断开启或关闭键是否按下，若是则通过nRF24L01无线模块发送数据至接收端控制器，控制库门动作，同时在5110屏上显示相应操作，若在规定时间内无响应，发送端则进入待机模式。图3为遥控发送端程序流程图。

图3 遥控发送端程序流程图

图4 接收控制端程序流程图

3.2 接收端控制系统软件设计

接收端上电初始化后进行自学习功能设置，判断控制器是否有键按下5 s，若是则遥控发送端会按照自定义的学习帧格式发信号至接收控制器，接收端对所发的帧格式进行数据解析，得出Unique ID并保存，当再次按下开启或关闭控制键后，通过比对Unique ID，决定是否学习编码，若一致则发送数据至遥控发送端的LCD屏上，显示学习成功，如果接收控制器在规定时间内未收到有效信号，则显示学习不成功。当进行库门开启关闭操作时，要判断是否已经进行编码学习，若已经学习则执行库门操作，当接收控制器检测到库门电机运行过载时，则输出停止信号并将信息通过nNF24L01发送至遥控发送端。图4为接收控制端程序流程图。

4 系统实验结果分析与展望

根据遥控发送端和接收控制端的软硬件架构，以及现有的STM8单片机系统和nRF24L01收发模块，设计出智能车库门控制系统实验样品，在约15 m的范围内，发送和接收端之间有障碍物的状态下，经过40次的远程遥控车库门开启关闭实验，库门均可正常运行，在约20 m的范围内，发送和接收端之间有障碍物的状态下，通过100次的定量数据帧发送并在发送端LCD上的返回的错误显示，表明该系统数据帧传输误码率低，可靠性高。

系统采用STM8单片机和nRF24L01无线数传模块设计智能车库门控制系统，并通过128 bit AES加密和接收端编码自学习功能设计，在有无市电的情况下实现了远程控制车库门的开启和关闭，，利用nRF24L01的双向传输模式，用户实时掌握车库门的运行状况，从而提高了车库的安全性，保证用户的人身财物安全。而且该系统使用方便、可靠性较高，可将实验样品经过性能检测和耐久测试成功后用于智能小区车库门控制。

参考文献：

[1] 刘曰木，孙乐.基于CC430F5137的车库门无线自动控制系统研究[J].工业仪表与自动化装置，2012(1)：29-31

[2] 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].2008，35(3)：55-58

[3] 张凤，储键，陈晖.基于单片机的车库门遥控器的设计[J].电子技术与软件工程， 2013(10)：69-70

[4] 张志福.TL494在密封铅酸电池充电器中的应用[J].青海大学学报：自然科学版，2005，23(4)：22-24

[5] 张永宏，曹健，王丽华. 基于51单片机与nRF24L01无线门禁控制系统设计[J].江苏科技大学学报：自然科学版，2013，27(1)：64-69