基于STM32的門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/任肖麗 王驥 許學(xué)禮

1 引言

隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，門禁控制系統(tǒng)更具集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。為了社區(qū)和建筑的智能防護(hù)，門禁系統(tǒng)已由從單一門禁功能發(fā)展到綜合多功能的系統(tǒng)。本文主要研究基于STM32單片機(jī)和RFID技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)，連接oneNET，通過上位機(jī)即手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STM32最小系統(tǒng)、RFID讀卡識別模塊、WiFi模塊、顯示屏、繼電器、電磁鎖組成。以STM32最小系統(tǒng)為核心，最小系統(tǒng)與顯示屏通信實(shí)現(xiàn)顯示屏控制；上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相互通信，服務(wù)器下發(fā)信息與STM32通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制，利用模塊識別RFID卡，通過最小系統(tǒng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)控制繼電器打開與關(guān)閉電磁鎖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM主控芯片

主控芯片采用STM32F103系列單片機(jī)，內(nèi)核為Cortex-M3，工作頻率高達(dá)72MHz，程序存儲器容量高達(dá)256KB，支持I2C， SDIO，SPI，USART等接口模式，可滿足不同條件下的通信需求。芯片采用3.3V供電，多重電容濾波穩(wěn)定電壓，外部接有8MHz晶振及復(fù)位電路，其組成的最小系統(tǒng)電路主要由晶振電容組成的時鐘電路、主控芯片、電容電阻按鍵組成的復(fù)位電路、SWD調(diào)試接口電路組成。最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：STM32最小系統(tǒng)電路

2.2 RFID模塊

門禁系統(tǒng)無需遠(yuǎn)距離識別卡號信息，且不需通過插卡形式讀取卡片，所以本系統(tǒng)適合采用高頻段的13.56MHz射頻讀寫芯片，選用RC-522 IC卡感應(yīng)模塊為RFID模塊，其主控芯片為MFRC522，是一款高度集成的讀/寫卡芯片，具有低電壓、低成本和尺寸小的特點(diǎn)，集成了所有的非接觸式的通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用SPI通信方式。

2.3 人機(jī)交互界面模塊

本系統(tǒng)人機(jī)交互界面模塊，采用集成DGUS軟件的智能屏DMT10600C070_05W，能快速靈活開發(fā)高觸摸屏人機(jī)交互界面，用戶界面體驗(yàn)好，具有極強(qiáng)的使用性和可靠性。同時，該智能屏采用K600+內(nèi)核，是7.0英寸的1024×600圖形點(diǎn)陣屏，模塊采用5V供電，通過串口與主機(jī)通信。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

圖3：軟件主要流程框圖

圖4：門禁系統(tǒng)

圖5：安卓APP主界面

圖6：顯示屏主界面

圖7：網(wǎng)頁應(yīng)用圖

網(wǎng)絡(luò)模塊選用ESP8266-01 Wi-Fi模塊，外觀小巧，性能強(qiáng)大，同時集成了多種Wi-Fi協(xié)議，其搭建的最小運(yùn)行電路如圖3所示，將CH_PD和VCC接高電平，GND接地，串口輸出的UTXD和URXD與串口連接，同時將串口與STM32通信，通過Wi-Fi模塊內(nèi)置的 TCP/IP 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)STM32串口通過Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的通信。

ESP8266-01通過AT指令配置連接網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi熱點(diǎn)，作為客戶端，而上位機(jī)作為服務(wù)端，即，可通過網(wǎng)絡(luò)對上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信。本系統(tǒng)使用oneNET的服務(wù)器作為服務(wù)端，Wi-Fi模塊作為客戶端連接服務(wù)器，為透傳模式，實(shí)現(xiàn)與oneNET的服務(wù)器通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文門禁系統(tǒng)軟件主要流程圖如圖3所示，門禁系統(tǒng)啟動后，首先初始化系統(tǒng)各個硬件，如果網(wǎng)絡(luò)模塊與預(yù)設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)連接成功，模塊開始對RFID模塊進(jìn)行監(jiān)聽，查詢是否有卡，如果識別到RFID卡，讀取卡片信息，和系統(tǒng)中存有的信息進(jìn)行比較，如果信息匹配成功，驅(qū)動繼電器，打開電磁鎖，從而實(shí)現(xiàn)開門，將開門信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳到oneNET服務(wù)器，最終可在上位機(jī)查看信息；同時監(jiān)聽顯示屏模塊發(fā)送過來的串口信息，實(shí)時解析信息，實(shí)現(xiàn)顯示屏對系統(tǒng)的控制。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方式，可分為主程序、RFID識別程序、顯示屏串口解析操作程序、ESP8266-01操作程序、STM32flash操作程序和隨機(jī)碼解鎖程序。系統(tǒng)采用的上位機(jī)是基于安卓設(shè)計(jì)的手機(jī)APP，利用易安卓（E4A）開發(fā)設(shè)計(jì)安卓手機(jī)APP。通過利用E4A實(shí)現(xiàn)調(diào)用oneNET的API即使用GET和POST在onenet服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，同時對硬件系統(tǒng)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP通過oneNET服務(wù)器控制硬件系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)測試

通過各模塊的實(shí)際測試，最終實(shí)現(xiàn)如圖4所示的門禁系統(tǒng)，燒錄完整程序完成硬件測試：通過顯示屏添加用戶和RFID卡片信息，保存在STM32內(nèi)部flash，重啟讀取保存的信息，放置錄入的RFID卡片，可以開啟門禁系統(tǒng)。STM32每過10s更新隨機(jī)碼，同時通過ESP8266-01上傳到服務(wù)器，可以在顯示屏輸入隨機(jī)碼打開門禁系統(tǒng)，同時，每一次讀取到RFID卡片開啟門禁系統(tǒng)的信息，發(fā)送到服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁和手機(jī)APP中查看。

安卓APP主界面如圖5，可查看接收的隨機(jī)碼，通過顯示屏輸入隨機(jī)碼即可打開電磁鎖。通過點(diǎn)擊門禁的“開”和“關(guān)”控制門禁系統(tǒng)，在主界面通過實(shí)時的折線圖觀察門鎖狀態(tài)。點(diǎn)擊“下一頁”可顯示門禁系統(tǒng)中記錄的用戶開門次數(shù)。

通過DUGS軟件實(shí)現(xiàn)的顯示屏控制設(shè)計(jì)，如圖6所示顯示屏主界面，當(dāng)通過串口連接STM32后，可傳輸串口信號到STM32，也可以接收STM32傳輸?shù)姆答佇畔⒆龀鱿鄳?yīng)控制。

在oneNET網(wǎng)站利用其開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如圖7所示，設(shè)計(jì)的應(yīng)用發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)硬件接入到oneNET時，可通過該網(wǎng)頁應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與硬件系統(tǒng)通信。

5 結(jié)語

本門禁系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，結(jié)合人機(jī)交互界面和上位機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)門禁控制系統(tǒng)。通過測試，本系統(tǒng)具有良好的識別率，可以準(zhǔn)確快速識別RFID卡片，適合小區(qū)、居民住宅等一系列地方的門禁管理，具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。