基于ESP8266的智能門禁系統設計與實現

王思婷 梁浩明

1.廣東水利電力職業技術學院 廣東 廣州 510635；2.廣州蓋得信息科技有限公司 廣東 廣州 510000

引言

隨著物聯網技術的發展，智能硬件產品不斷涌現，越來越多的智能化產品出現在市場上。智能門禁有別于傳統門禁，不僅采用了先進的電子鎖，還設計了豐富多樣的開門方式，例如：磁卡、射頻卡、指紋、虹膜、指脈等驗證方式，不但提高了便利性，還具有很高的安全性[1]。除了電子化的解鎖方式，智能門禁還能連接互聯網，讓用戶通過手機查看門禁狀態，瀏覽開門記錄，甚至可以實現遠程授權開鎖和防盜報警等功能。目前市面上的智能門禁系統依然存在價格較高的問題，平均售價基本在2000元左右，性價比較低。

針對以上問題，本文設計了一套基于ESP8266的智能門禁系統，該系統包含主控模塊、指紋模塊、紅外模塊、按鍵模塊、感應模塊、執行電機和后臺服務器。能夠實現指紋開鎖、密碼開鎖、遠程開鎖、人體感應和記錄開門信息等功能，具有價格實惠、性價比高、安裝方便等優勢。

1 硬件設計

1.1 系統設計

本設計智能門鎖系統框圖如圖1所示，采用ESPRESSIF（樂鑫）的ESP8266主控模塊，該主控模塊內置32位RISC處理器和Wi-Fi芯片，具有性能穩定、高度集成、低功耗等優點，是一款高性價比的面向物聯網應用的MCU。指紋模塊采用市面上常見的電容指紋模塊，該模塊使用串行口通信，能夠存儲1000枚指紋信息，識別速度快，精度高，能夠檢測生物電容，有效防止指紋膜等手段。出于簡潔考慮，使用紅外接收模塊來獲取密碼輸入，用戶可以使用紅外遙控器對門禁進行密碼輸入。系統采用內置的Wi-Fi模塊進行網絡通信，該Wi-Fi模塊內封裝了TCP/IP協議棧，可以方便地與后臺服務器連接，后臺服務器內置數據庫，能夠存儲開門的信息，如開門時間、開門方式和開門人員等。為了提高用戶體驗，本系統還添加了感應模塊，感應模塊分為開關門感應模塊和用戶感應模塊，開關門感應模塊用于識別門禁是否關門，用戶感應模塊用于感應門前是否有人。執行電機模塊用于連接鎖體，通過轉動門鎖或拉扯門鎖實現開鎖功能。

圖1 系統框圖

1.2 指紋模塊

指紋模塊采用的是FPC1020A模組，FPC1020指紋模塊由電容式指紋傳感器及高性能指紋比對算法等軟硬件構成，功能非常完善，兼具指紋采集、指紋登記、指紋比對和指紋搜索等功能，具有超高的防偽性能，應用活體指紋探測技術，有效杜絕偽造指紋、指模等假指紋的誤識別，同時，該類產品對干、濕手指也具有非常強的適應性，對指紋紋路不清晰、紋路不全的指紋也具有很強的校正和容錯能力，辨識率大大高于同類產品，能夠適應各種天氣及各類人群使用。

FPC1020指紋模塊具有體積小、功耗低、接口簡單、穩定性高等特點，指紋模板僅496字節，20枚指紋識別響應時間小于1s，內置IDworId特有得指紋識別算法，具備自學習功能，指紋識別過程中，最新提取的指紋特征值識別成功后將該特征值合到指紋數據庫中，不斷優化識別速率和準確率[2]。該模塊還具備360°自動校正識別功能，在模塊上任意角度按壓手指，都可以正確識別。

指紋容量高達1700枚，具有5個安全級別可調，默認安全級別下，誤識別率小于0.001%，拒識率小于0.1%。采用UART接口通信，支持多種波特率，默認115200bps，工作電壓3.3V，工作電流小于40mA。

1.3 其他模塊

指紋鎖采用人體紅外探測是否有人接近門鎖，當檢測到人時，觸發指紋模塊掃描手指，長時間未檢測到人時，觸發低功耗模式。人體紅外模塊采用HC-SR501模塊，該模塊可以調節檢測距離和延時時間，感應范圍約120°錐角，7m左右，封鎖時間為0.2s，工作電壓為DC5V至20V。

門鎖內置了一個紅外接收裝置，可以通過紅外遙控器來操作和設置門鎖的各種功能，通過紅外遙控器，可以大大節約單片機的IO口資源，減小指紋鎖體積。紅外通信采用NEC協議，兼容市面上大多數的紅外遙控器，接收器使用HX1838，帶屏蔽頭，可以有效減少外部干擾。

1.4 后臺服務器

后臺服務器使用的是WAMP服務器框架。WAMP指的是Windows下的Apache + Mysql/MariaDB + Perl/PHP/Python的服務器框架，一般是一組常用來搭建動態網站或者服務器的開源軟件，本身都是各自獨立的程序，但是因為常被放在一起使用，擁有很高的兼容度，共同組成了一個強大的Web應用程序平臺。WAMP具有安裝簡單、設置方便等優點，非常適合搭建測試環境[3]。

主控芯片內置Wi-Fi通信模塊，可以很方便地與無線路由器進行通信，我們在單片機內部搭建了一個網絡客戶端，單片機上電后首先通過預設的SSID和密碼訪問路由器，獲取IP地址和網絡接入權限。當有人開門時，內置的客戶端通過HTTP的GET請求訪問局域網內搭建的服務器，向服務器上傳開門信息，包括開門方式和開門人員等，服務器收到信息后會訪問數據庫，添加開門時間和序號等信息，并記錄本次的開門數據。

2 軟件設計

2.1 軟件流程圖

門鎖的軟件流程圖如圖2所示，系統上電后，會對內部資源進行初始化，確認各模塊連接正確，功能正常，然后開始與指紋模塊通信，確認指紋模塊有響應，否則終止主程序，并閃爍故障燈[4]。系統進入主循環后，會先檢查門是否關閉，若門關閉則控制執行電機上鎖，然后檢測門鎖前是否有人，若有人則開始指紋掃描和驗證，若無人則直接檢查開門按鍵是否按下，如按鍵按下，則操作執行電機開鎖。最后檢查紅外接收緩沖區是否收到密碼數據，并判斷密碼是否正確，若正確則開鎖。通過指紋或密碼方式開鎖后，都會向后臺服務器上傳開門信息。

圖2 軟件流程圖

2.2 功能設計

本智能門禁使用了電容指紋模塊，有效防止了指紋膜等盜騙手段的入侵。其次，門禁在指紋驗證位置安裝了人體感應模塊，能夠有效感應用戶是否站在門前，當門前有人時才會開始指紋掃描程序，降低系統功耗。再次，門禁系統在門和門框上安裝了霍爾感應模塊和強磁，該感應模塊能夠檢測門是否關好，當檢測到門已經關閉后，會給門上鎖[5]。最后，通過ESP8266內置的Wi-Fi模塊，能夠自動連接附近的無線路由器，聯網后能夠向后臺服務器發送開門信息，后臺服務器使用Apache + MySQL + PHP架構，服務器收到單片機響應后會向MySQL內的相應數據表寫入開門信息，用戶也可以通過瀏覽器訪問后臺服務器，查詢開門記錄。

3 系統實現

本文設計的門鎖系統已經制作了工程測試機，并安裝在辦公室門上進行測試（見圖3）。目前，門鎖已經連續工作了一年，沒有出現硬件故障和軟件BUG，測試結果良好，門鎖工作穩定，指紋識別準確率高，開門按鍵反應快，門前沒有人時，系統不主動掃描指紋以降低功耗。

圖3 智能門禁測試效果

4 結束語

本系統使用ESP8266作為主控芯片，電容指紋模塊作為指紋采集器，使用內置的Wi-Fi模塊作為網絡通信模塊，使用紅外作為鍵盤輸入，通過舵機控制門鎖，另外還搭建了感應模塊和后臺服務器。使用較低的價格實現了智能門禁的功能，相比市場上的智能門禁便宜了很多，性價比高，安裝方便。