基于STM32的门禁控制系统设计
2020-01-16任肖丽王骥许学礼
文/任肖丽 王骥 许学礼
1 引言
随着信息技术与网络技术的飞速发展，门禁控制系统更具集成化、智能化和网络化。为了社区和建筑的智能防护，门禁系统已由从单一门禁功能发展到综合多功能的系统。本文主要研究基于STM32单片机和RFID技术的门禁控制系统，连接oneNET，通过上位机即手机APP实现系统远程控制。
2 系统总体设计
本系统由STM32最小系统、RFID读卡识别模块、WiFi模块、显示屏、继电器、电磁锁组成。以STM32最小系统为核心，最小系统与显示屏通信实现显示屏控制；上位机通过网络与服务器相互通信，服务器下发信息与STM32通信，实现远程的控制，利用模块识别RFID卡，通过最小系统的处理，从而实现最小系统控制继电器打开与关闭电磁锁。系统结构框图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 ARM主控芯片
主控芯片采用STM32F103系列单片机，内核为Cortex-M3，工作频率高达72MHz，程序存储器容量高达256KB，支持I2C， SDIO，SPI，USART等接口模式，可满足不同条件下的通信需求。芯片采用3.3V供电，多重电容滤波稳定电压，外部接有8MHz晶振及复位电路，其组成的最小系统电路主要由晶振电容组成的时钟电路、主控芯片、电容电阻按键组成的复位电路、SWD调试接口电路组成。最小系统如图2所示。
图1：系统结构框图
图2：STM32最小系统电路
2.2 RFID模块
门禁系统无需远距离识别卡号信息，且不需通过插卡形式读取卡片，所以本系统适合采用高频段的13.56MHz射频读写芯片，选用RC-522 IC卡感应模块为RFID模块，其主控芯片为MFRC522，是一款高度集成的读/写卡芯片，具有低电压、低成本和尺寸小的特点，集成了所有的非接触式的通信协议，本设计采用SPI通信方式。
2.3 人机交互界面模块
本系统人机交互界面模块，采用集成DGUS软件的智能屏DMT10600C070_05W，能快速灵活开发高触摸屏人机交互界面，用户界面体验好，具有极强的使用性和可靠性。同时，该智能屏采用K600+内核，是7.0英寸的1024×600图形点阵屏，模块采用5V供电，通过串口与主机通信。
2.4 网络模块
图3：软件主要流程框图
图4：门禁系统
图5：安卓APP主界面
图6：显示屏主界面
图7：网页应用图
网络模块选用ESP8266-01 Wi-Fi模块，外观小巧，性能强大，同时集成了多种Wi-Fi协议，其搭建的最小运行电路如图3所示，将CH_PD和VCC接高电平，GND接地，串口输出的UTXD和URXD与串口连接，同时将串口与STM32通信，通过Wi-Fi模块内置的 TCP/IP 协议，实现STM32串口通过Wi-Fi模块实现与服务器之间的通信。
ESP8266-01通过AT指令配置连接网络Wi-Fi热点，作为客户端，而上位机作为服务端，即，可通过网络对上位机发送数据，实现远程网络通信。本系统使用oneNET的服务器作为服务端，Wi-Fi模块作为客户端连接服务器，为透传模式，实现与oneNET的服务器通信。
3 软件设计
本文门禁系统软件主要流程图如图3所示，门禁系统启动后，首先初始化系统各个硬件，如果网络模块与预设好的网络连接成功，模块开始对RFID模块进行监听，查询是否有卡，如果识别到RFID卡，读取卡片信息，和系统中存有的信息进行比较，如果信息匹配成功，驱动继电器，打开电磁锁，从而实现开门，将开门信息通过网络上传到oneNET服务器，最终可在上位机查看信息；同时监听显示屏模块发送过来的串口信息，实时解析信息，实现显示屏对系统的控制。
本系统软件设计采用模块化方式，可分为主程序、RFID识别程序、显示屏串口解析操作程序、ESP8266-01操作程序、STM32flash操作程序和随机码解锁程序。系统采用的上位机是基于安卓设计的手机APP，利用易安卓（E4A）开发设计安卓手机APP。通过利用E4A实现调用oneNET的API即使用GET和POST在onenet服务器获取数据，同时对硬件系统发送命令，实现手机APP通过oneNET服务器控制硬件系统。
4 系统测试
通过各模块的实际测试，最终实现如图4所示的门禁系统，烧录完整程序完成硬件测试：通过显示屏添加用户和RFID卡片信息，保存在STM32内部flash，重启读取保存的信息，放置录入的RFID卡片，可以开启门禁系统。STM32每过10s更新随机码，同时通过ESP8266-01上传到服务器，可以在显示屏输入随机码打开门禁系统，同时，每一次读取到RFID卡片开启门禁系统的信息，发送到服务器，可以在网页和手机APP中查看。
安卓APP主界面如图5，可查看接收的随机码，通过显示屏输入随机码即可打开电磁锁。通过点击门禁的“开”和“关”控制门禁系统，在主界面通过实时的折线图观察门锁状态。点击“下一页”可显示门禁系统中记录的用户开门次数。
通过DUGS软件实现的显示屏控制设计，如图6所示显示屏主界面，当通过串口连接STM32后，可传输串口信号到STM32，也可以接收STM32传输的反馈信息做出相应控制。
在oneNET网站利用其开发工具实现网络应用，如图7所示，设计的应用发布在网络上，当硬件接入到oneNET时，可通过该网页应用实现与硬件系统通信。
5 结语
本门禁系统以STM32单片机为核心，结合人机交互界面和上位机，最终实现门禁控制系统。通过测试，本系统具有良好的识别率，可以准确快速识别RFID卡片，适合小区、居民住宅等一系列地方的门禁管理，具有良好的稳定性和实用性。
