基于单片机的WIFI电磁锁设计

韩玮韬　韩忠林

摘要： 针对于不法人员使用传统手段开锁所带来的安全隐患，设计了一款基于单片机的WIFI电磁锁。这款锁具没有钥匙孔，使用手机客户端控制。用户可通过网络和手机客户端实时监控锁具状态，实时修改用户密码，提高了锁的安全性。

Abstract： A kind of WIFI electromagnetic lock based on single chip microcomputer is designed to prevent the illegal unlocking by the traditional methods. This lock has no key hole and can be controlled by mobile client. The user can monitor lock state and modify the password to the lock for improving the safety through the network and mobile client.

关键词： WIFI；单片机；电磁锁

Key words： WIFI；single chip microcomputer；electromagnetic lock

中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0120-02

0 引言

防盗门从面世以来一直用于保护家庭的私有财物不受非法侵害，但是中消协2014年12月2日发布警示称许多不法分子几十秒甚至几秒就能打开防盗门入室作案造成危害。这些不法子之所以能够在短时间内攻破防盗门的防护主要使用了锡纸开锁法。在新闻调查栏目中有记者验证，借助专门的锡纸工具，普通人都能在短时间内打开采用一字锁、十字锁或AB锁等锁具的防盗门，平均用时不超过60秒。为提高防盗性能，便于用户使用，先后出现了密码锁和遥控锁等新型锁具。与机械锁不同，这些新型锁具没有钥匙孔，即使技术高超的小偷和专业开锁公司的员工也很难用传统手段打开。遥控锁作为目前最好的防盗锁具，有广阔的发展前景。通常每个遥控锁具都配备一个与之相配套的遥控器，不便于携带。智能手机作为通讯工具已成为必备品。用户安装基于单片机的WIFI电磁锁后，不需要携带遥控器，只要携带智能手机就可以实现锁具的控制和状态的查询。

1 原理与结构

基于单片机的WIFI电磁锁由电磁锁模块、WIFI模块、单片机系统和电源模块构成。电磁锁模块包括一个电磁锁和一个光电反射传感器。电磁锁为上电动作锁，通常状况下电磁锁不上电，锁为上锁状态，仅当电磁锁上电时，锁处于打开状态。光电反射传感器用于检测锁位置，如果锁准确回位则该传感器会输出高电平信号。WIFI模块作为热点，用于建立单片机系统和智能手机之间的信道，实现两者之间的通讯。单片机系统作为这款锁具的主控部分负责解析WIFI模块接收到的命令和电磁锁具的状态控制。如果WIFI模块接收到来自智能手机客户端的开锁命令后，单片机系统通过WIFI模块和智能手机通讯完成操作者身份验证。当操作者身份被确认后，单片机系统根据光电反射传感器的状态控制电磁锁具的工作状态实现开锁。这款锁具的结构示意图如图1所示。

与传统锁具相比，这款锁具安全性能能好，使用简便，能远程操控，但也存在传统机械锁具所没有的缺陷，即必须有电源供给遥控锁具才能工作。考虑到外部电源供给可能会出现异常停止情况，采用锂电池组作为系统的后备电源。

2 硬件设计

作为锁具单片机系统和智能手机之间通讯的纽带，WIFI模块性能决定这款锁具的工作可靠性。WIFI模块采用ESP8266。这款WIFI模块具有外围电路简单，增强信号输出，稳定性和抗干扰能力强的特点，与单片机之间采用三线异步串行通讯，满足设计需要。其扩展电路原理图见图2。电磁锁为上电动作型，工作电压为DC12V。光电反射传感器采用DC3.3V供电，其输出信号直接接入单片机。单片机采用STC12LE5A60S2，通过串口与WIFI模块连接，通过扩展ULN2003驱动电磁锁。STC12LE5A60S2单片机能在DC3.3V供电下稳定运行，内置程序存储器，数据存储器，定时器，全双工串行通讯口和看门狗电路等片内外设，性价比较高，能与WIFI模块和光电反射传感器直接扩展连接。ULN2003内部集成7个并连续流二极管的达林顿管，能够直接驱动1A电流负载。外部电源以DC5V输入，经可调直流升压模块2577升压至DC12V驱动电磁锁，经LM1117模块稳压为DC3.3V供给单片机系统和WIFI模块，由锂电池管理模块TP4056管理锂电池组的充电。锂电池组和锂电池管理模块TP4056为后备电源。如果外部电源掉电，立即改由后备电源供电。模块TP4056具有外围电路简单，保护性能好，充电精度高等特点适用于并连锂电池组的管理。

3 软件设计

单片机系统程序由主程序、串口通讯中断子程序和定时中断子程序构成。在主程序中，首先完成单片机系统初始化，例如定时器初始化，中断初始化，端口状态设定等。然后判断上锁标志位是否置位。如果上锁标志位置位，表明锁具打开时间段已过，需要上锁，电磁锁掉电在弹簧力作用下自动复位上锁。一般锁具上电的时间段设定为十几秒到几十秒。锁具上电的时间越长，消耗的电能越多。接下来单片机系统判断是否接收到来自智能手机客户端的命令。如果没有接收到命令返回上锁标志判断处继续。如果确认接受到命令，则单片机系统解析并执行该命令。例如单片机系统接收到来自客户端的开锁指令，电磁锁上电开锁，与此同时复位上锁标志并置位上锁定时器标志，开始锁具关闭定时器的计时。主程序流程图见图3。

定时中断子程序中实现锁具关闭定时器的倒计时功能，当上锁定时器标志被置位后，定时器倒计时启动。当定时时间到后，复位上锁定时器标志，置位上锁标志位置位。

单片机系统在串口通讯中断子程序中接收来自WIFI模块的智能手机命令。WIFI模块ESP8266和单片机通过串口连接，参数设置为：115200波特率，8位数据位，无奇偶校验，1位起始位和1位停止位。当WIFI模块接收到来自智能手机客户端的命令后，以串行方式向单片机系统传送数据。当单片机系统需要向智能手机客户端发送数据时，只需要将数据从串行口送出到WIFI模块，WIFI模块自主完成向智能手机客户端的数据发送。因此WIFI模块对于设计者来说是透明的，单片机系统与智能手机客户端之间的通讯就如同单片机系统之间采用异步串行通讯一样简便。

单片机系统使用中断方式对串口通讯进行管理。当发生通讯中断时，首先检查是否为接收中断请求，如果非接收中断请求则转入发送中断处理流程。在接收中断处理流程中首先判断是否命令标志位。如果是命令起始标志，则表明将要接收到的是一条新命令，则需要清除接收缓冲区以便空出空间接收新指令；如果是命令结束标志位，则置位命令接收标志以备主程序中读取识别；如果非命令标志位，则写入接收缓冲区。而在发送中断流程中主要判断待发送数据是否结束标志。如果待发送数据非结束标志，将待发送数据写入发送寄存器；如果待发送数据是结束标志放弃操作退出中断服务程序。通讯中断服务子程序流程图见图4。

4 实验分析

由于基于单片机的WIFI门锁没有钥匙孔，因此开锁人员没有办法使用锡纸开锁法等传统锁具开锁方法开锁。WIFI门锁的WIFI模块作为热点，其无线信号穿透能力较强，在2m范围内智能手机能与安装在防盗门上的WIFI门锁建立连接。当出现停电故障时，在1次/小时的开锁频率下，后备电源能够至少维系36小时。

5 结论

基于单片机的WIFI电磁锁无需钥匙孔，杜绝了不法人员使用传统手段开锁可能。智能手机客户端的使用使用户无需携带遥控，不会出现因遥控丢失而带来的安全隐患。用户不仅可通过网络和智能手机客户端实时监控锁具状态，还可实时修改用户密码，提高了锁的安全性。

参考文献：

[1]岳健，王蕴岭，段学习，魏毅.基于STC10F08的可调式感光计数器电路设计[J].中小企业管理与科技，2012（4）：236-236.

[2]李红超，王蕴岭，段学习，岳健.具有记录功能的简易数字电压表设计[J].中小企业管理与科技，2012（5）：287-288.

[3]王蕴岭，段学习.运用Visual Basic实现PLC的远程监控[J].控制工程，2006（s2）：139-141.

[4]段学习，王蕴岭，汪琦.踝关节康复受力测量装置研究[J].河北科技大学学报，2011（5）：460-465.