具有RFID和WIFI控制的密码锁设计

上海电子工业学校电子与通信技术系 张 帆

具有RFID和WIFI控制的密码锁设计

上海电子工业学校电子与通信技术系 张 帆

随着电子技术的发展，电子锁在日常生活中的应用日趋广泛，而对其的控制手段也日趋丰富，极大的方便了人们的工作和生活。本文将介绍一款具有RFID、WIFI和密码输入控制功能的密码锁的设计，通过单片机对相应模块的信号采集和控制应用实现对电电磁锁的开关控制，将对该系统的硬件设计和软件设计进行分析，并对其使用方法和测试过程进行介绍。

RFID；WIFI；密码锁；单片机

本系统主要通过RFID模块、WiFi模块和键盘输入来实现对电磁锁的控制，通过微控制器对信号的采集和处理实现相应的控制功能。本系统利用RFID标签或具有WiFi功能的手机代替传统的钥匙来开关门锁，同时也可以通过系统上的键盘进行密码开锁。系统硬件部分主要包括两个部分：首先是安装在门上的电磁锁，通过系统发出的控制信号控制其通断电实现门锁的锁和开；其次是可以安装在门附近的控制系统，负责RFID感应和WiFi信号接收。下面将对该系统的设计进行分析。

1.总体设计

该系统的设计主要包括两部分：硬件系统设计和软件系统设计，硬件包括STC12C5A单片机系统、RFID模块、WiFi模块、EEPROM程序存储电路、按键模块、显示模块、电源模块电路等；软件包括RFID模块处理程序和WiFi模块处理程序、按键处理以及显示和控制输出程序等的设计。

同时考虑到整个系统的工作环境，抗干扰的设计必须贯穿于整个软硬件的设计过程。

本系统选用宏晶公司的STC12C5A60S2微控制器，RFID模块选择了MFRC522作为主控芯片，WiFi模块选择了ESP8266，存储芯片选择了AT24C08，同时设计了4*4矩阵式键盘和LCD12864显示模块电路。系统硬件框图如图1所示。

图1　系统硬件电路框图

图2　单片机控制系统原理图

2.各主要模块的硬件电路分析

2.1单片机的主控系统

单片机的主控系统是使单片机工作而为单片机提供各种电源及外围的电路所构成的电路，设计的内容主要包括以下几个部分：电源模块电路、时钟电路、复位电路、以及使单片机为完成在系统这些功能而进行的单片机的各功能引脚的设置与分配，其电路图如图2所示。

图3　按键和显示电路原理图

2.2按键与显示电路设计

本系统设计了4*4的矩阵式按键键盘，通过按键可以进行密码的设置、输入，菜单的选择等功能，显示模块选择了LCD12864以显示丰富的内容，同时考虑到实际应用过程中的功耗和实用性，对LCD的背光做了低功耗处理。按键和显示电路原理图如图3所示。

2.3RFID模块电路的设计

本系统设选择了MFRC522进行电子标签的识别，MFRC522是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（13.56MHz）。MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO 14443A/MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路，用来处理兼容ISO 14443A/MIFARE的卡和应答机的信号。数字电路部分处理完整的ISO 14443A 帧和错误检测（奇偶&CRC）。MFRC522支持MIFARE Classic （如MIFARE标准）器件。MFRC522支持MIFARE更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达 424kbit/s。本系统中将其设置为SPI接口模式，RFID模块的电路原理图如图4所示。

图4　RFID模块的电路原理图

2.4WiFi模块电路的设计

通过手机的上位机APP可以实现对电磁锁的开关控制，本模块电路选择了ESP8266模块作为WiFi信号收发，ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够搭载软件应用或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi网络功能。ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。另外一种情况是，无线上网接入承担Wi-Fi适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过SPI/SDIO接口或中央处理器AHB桥接口即可。ESP8266强大的片上处理和存储能力，使其可通过 GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。ESP8266高度片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。装有ESP8266的系统表现出来的领先特征有：节能VoIP在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共存特性为消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVDS/LCD干扰。WiFi模块的电路原理图如图5所示。

图5　WIFI模块电路原理图

图6　EEPROM存储电路原理图

2.5EEPROM存储电路的设计

单片机处理系统需要对设置的密码和卡号进行存储、注册和记录等操作，需要对已经设置和注册的信息进行记录和重新上电后的调用，所以系统设置了EEPROM对上述信息进行存储。本系统同选择了具有IIC接口的AT24C08作为存储芯片，通过单片机的软件虚拟IIC协议进行数据的存储和加载。EEPROM存储电路的原理图如图6所示。

2.6电源电路的设计

考虑到实用性原则本系统选择了DC12V开关电源作为电源输入，该部分的电路设计包括为单片机提供的+5V电源的设计，选择了7805 LDO芯片，同时需要给RFID和WiFi模块提供3.3V的电源，选择了AMS1117-3.3芯片。电源部分电路如图7所示。

图7　电源电路原理图

3.系统的程序设计

系统的程序设计主要包括LCD显示程序、按键检测与处理程序、RFID模块处理程序、WiFi模块处理程序、EEPROM操作程序等。系统初始化后进入按键检测程序，可以通过按键进行密码的输入、设置和修改、卡的注册等操作，同时也检测是否有卡并对卡的信息进行读取和比对，如果此卡已注册则发出开锁信号，如果检测到WiFi模块发送来的开锁信号也将发出开锁信号，系统的程序流程图如图8所示。

图8　程序流程图

［1］郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2009.1.

［2］钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.3.

［3］广州周立功单片机发展有限公司.MF_RC522 datasheet.2007.9.

［4］乐鑫信息科技有限公司.ESP8266 Specification.2014.12.

［5］宏晶科技.STC12C5A60S2 user guide.

Password-lock design RFID and WIFI control

Zhang Fan
（Department of electronics and communication technology， Shanghai Electronic Industrial School）

With the development of electronic technology， electronic locks used in everyday life is becoming more widespread， and the control method is more and more， it take a great convenience to people’s work and life. This article describes a password-lock design RFID， WIFI and password control functions， through MCU electromagnetic lock switch on the electrical control module of the corresponding signal acquisition and control applications， the hardware and software design of the system analyze and make use of its introduction and testing process.

RFID； WIFI； Password-lock；MCU