基于ESP8266的智能门禁系统设计与实现

王思婷 梁浩明

1.广东水利电力职业技术学院 广东 广州 510635；2.广州盖得信息科技有限公司 广东 广州 510000

引言

随着物联网技术的发展，智能硬件产品不断涌现，越来越多的智能化产品出现在市场上。智能门禁有别于传统门禁，不仅采用了先进的电子锁，还设计了丰富多样的开门方式，例如：磁卡、射频卡、指纹、虹膜、指脉等验证方式，不但提高了便利性，还具有很高的安全性[1]。除了电子化的解锁方式，智能门禁还能连接互联网，让用户通过手机查看门禁状态，浏览开门记录，甚至可以实现远程授权开锁和防盗报警等功能。目前市面上的智能门禁系统依然存在价格较高的问题，平均售价基本在2000元左右，性价比较低。

针对以上问题，本文设计了一套基于ESP8266的智能门禁系统，该系统包含主控模块、指纹模块、红外模块、按键模块、感应模块、执行电机和后台服务器。能够实现指纹开锁、密码开锁、远程开锁、人体感应和记录开门信息等功能，具有价格实惠、性价比高、安装方便等优势。

1 硬件设计

1.1 系统设计

本设计智能门锁系统框图如图1所示，采用ESPRESSIF（乐鑫）的ESP8266主控模块，该主控模块内置32位RISC处理器和Wi-Fi芯片，具有性能稳定、高度集成、低功耗等优点，是一款高性价比的面向物联网应用的MCU。指纹模块采用市面上常见的电容指纹模块，该模块使用串行口通信，能够存储1000枚指纹信息，识别速度快，精度高，能够检测生物电容，有效防止指纹膜等手段。出于简洁考虑，使用红外接收模块来获取密码输入，用户可以使用红外遥控器对门禁进行密码输入。系统采用内置的Wi-Fi模块进行网络通信，该Wi-Fi模块内封装了TCP/IP协议栈，可以方便地与后台服务器连接，后台服务器内置数据库，能够存储开门的信息，如开门时间、开门方式和开门人员等。为了提高用户体验，本系统还添加了感应模块，感应模块分为开关门感应模块和用户感应模块，开关门感应模块用于识别门禁是否关门，用户感应模块用于感应门前是否有人。执行电机模块用于连接锁体，通过转动门锁或拉扯门锁实现开锁功能。

图1 系统框图

1.2 指纹模块

指纹模块采用的是FPC1020A模组，FPC1020指纹模块由电容式指纹传感器及高性能指纹比对算法等软硬件构成，功能非常完善，兼具指纹采集、指纹登记、指纹比对和指纹搜索等功能，具有超高的防伪性能，应用活体指纹探测技术，有效杜绝伪造指纹、指模等假指纹的误识别，同时，该类产品对干、湿手指也具有非常强的适应性，对指纹纹路不清晰、纹路不全的指纹也具有很强的校正和容错能力，辨识率大大高于同类产品，能够适应各种天气及各类人群使用。

FPC1020指纹模块具有体积小、功耗低、接口简单、稳定性高等特点，指纹模板仅496字节，20枚指纹识别响应时间小于1s，内置IDworId特有得指纹识别算法，具备自学习功能，指纹识别过程中，最新提取的指纹特征值识别成功后将该特征值合到指纹数据库中，不断优化识别速率和准确率[2]。该模块还具备360°自动校正识别功能，在模块上任意角度按压手指，都可以正确识别。

指纹容量高达1700枚，具有5个安全级别可调，默认安全级别下，误识别率小于0.001%，拒识率小于0.1%。采用UART接口通信，支持多种波特率，默认115200bps，工作电压3.3V，工作电流小于40mA。

1.3 其他模块

指纹锁采用人体红外探测是否有人接近门锁，当检测到人时，触发指纹模块扫描手指，长时间未检测到人时，触发低功耗模式。人体红外模块采用HC-SR501模块，该模块可以调节检测距离和延时时间，感应范围约120°锥角，7m左右，封锁时间为0.2s，工作电压为DC5V至20V。

门锁内置了一个红外接收装置，可以通过红外遥控器来操作和设置门锁的各种功能，通过红外遥控器，可以大大节约单片机的IO口资源，减小指纹锁体积。红外通信采用NEC协议，兼容市面上大多数的红外遥控器，接收器使用HX1838，带屏蔽头，可以有效减少外部干扰。

1.4 后台服务器

后台服务器使用的是WAMP服务器框架。WAMP指的是Windows下的Apache + Mysql/MariaDB + Perl/PHP/Python的服务器框架，一般是一组常用来搭建动态网站或者服务器的开源软件，本身都是各自独立的程序，但是因为常被放在一起使用，拥有很高的兼容度，共同组成了一个强大的Web应用程序平台。WAMP具有安装简单、设置方便等优点，非常适合搭建测试环境[3]。

主控芯片内置Wi-Fi通信模块，可以很方便地与无线路由器进行通信，我们在单片机内部搭建了一个网络客户端，单片机上电后首先通过预设的SSID和密码访问路由器，获取IP地址和网络接入权限。当有人开门时，内置的客户端通过HTTP的GET请求访问局域网内搭建的服务器，向服务器上传开门信息，包括开门方式和开门人员等，服务器收到信息后会访问数据库，添加开门时间和序号等信息，并记录本次的开门数据。

2 软件设计

2.1 软件流程图

门锁的软件流程图如图2所示，系统上电后，会对内部资源进行初始化，确认各模块连接正确，功能正常，然后开始与指纹模块通信，确认指纹模块有响应，否则终止主程序，并闪烁故障灯[4]。系统进入主循环后，会先检查门是否关闭，若门关闭则控制执行电机上锁，然后检测门锁前是否有人，若有人则开始指纹扫描和验证，若无人则直接检查开门按键是否按下，如按键按下，则操作执行电机开锁。最后检查红外接收缓冲区是否收到密码数据，并判断密码是否正确，若正确则开锁。通过指纹或密码方式开锁后，都会向后台服务器上传开门信息。

图2 软件流程图

2.2 功能设计

本智能门禁使用了电容指纹模块，有效防止了指纹膜等盗骗手段的入侵。其次，门禁在指纹验证位置安装了人体感应模块，能够有效感应用户是否站在门前，当门前有人时才会开始指纹扫描程序，降低系统功耗。再次，门禁系统在门和门框上安装了霍尔感应模块和强磁，该感应模块能够检测门是否关好，当检测到门已经关闭后，会给门上锁[5]。最后，通过ESP8266内置的Wi-Fi模块，能够自动连接附近的无线路由器，联网后能够向后台服务器发送开门信息，后台服务器使用Apache + MySQL + PHP架构，服务器收到单片机响应后会向MySQL内的相应数据表写入开门信息，用户也可以通过浏览器访问后台服务器，查询开门记录。

3 系统实现

本文设计的门锁系统已经制作了工程测试机，并安装在办公室门上进行测试（见图3）。目前，门锁已经连续工作了一年，没有出现硬件故障和软件BUG，测试结果良好，门锁工作稳定，指纹识别准确率高，开门按键反应快，门前没有人时，系统不主动扫描指纹以降低功耗。

图3 智能门禁测试效果

4 结束语

本系统使用ESP8266作为主控芯片，电容指纹模块作为指纹采集器，使用内置的Wi-Fi模块作为网络通信模块，使用红外作为键盘输入，通过舵机控制门锁，另外还搭建了感应模块和后台服务器。使用较低的价格实现了智能门禁的功能，相比市场上的智能门禁便宜了很多，性价比高，安装方便。