论文总字数：13761字

摘 要

本次的毕设主题是基于wifi通信模块的公共模块智能锁的设计，wifi作为常用的新兴技术逐渐应用于广大百姓的日常生活种中，本次设计的出发点基于传统锁具的缺点上出发，目的是设计出一种不用带钥匙，同时又具备安全性，便捷性等优点的锁具，因而选择设计基于wifi通信模块的智能锁具，此锁具能达到用户快速出入，便捷生活，只需一部手机即可，舍弃了传统钥匙多而繁复的不便携带性的目的，同时，基于安卓机自带的密码安全功能，能够很好地防止不法分子第一时间开锁入门而造成的安全问题，提高安全性。

关于本次的锁具设计用到的控制芯片为STC89C52，该芯片具有和51单片机相似的特性，而wifi通信模块则使用到了乐鑫公司出品的ESP8266芯片，设计过程中的软件编写则基于C语言完成。整个步骤流程为：手机识别信号，接收信号，软件发射信号，系统接收信号，系统识别信号，输出控制信号。

关键词：无线模块；智能锁；ESP8266

Design of public intelligent lock based on wifi communication module

Abstract

The design theme of this time is based on the design of the public module smart lock of wifi communication module. wifi as a commonly used emerging technology is gradually applied to the daily life of the majority of people. This design consideration starts from the shortcomings of traditional locks and is designed. One does not need to bring the key, but also has the advantages of security, convenience, etc., so choose to design the smart lock based on wifi communication module, to achieve fast user access, convenient life, only one mobile phone, no need for complicated and complicated keychain The trouble, while based on the password security function that comes with the Android machine, prevents the criminals from locking out the security problem caused by the first time.

The control chip used in this design lock design is STC89C52, which has similar characteristics to 51 single-chip microcomputer. This design uses ESP8266 chip as the wifi communication module of this system, and the software design is based on C language. The whole process of the steps is: mobile phone identification signal, receiving signal, software transmitting signal, system receiving signal, system identification signal, output control signal.

Keywords: wireless module, smart lock, ESP8266

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1研究课题的意义以及背景 1

1.2研究现状 1

1.3研究目的和内容 1

第二章 硬件介绍 2

2.1芯片 2

2.2电机锁 4

2.3小结 5

第三章 设计方案及原理 6

3.1、总体设计方案 6

3.2、系统功能设计 6

3.3小结 8

第四章 实验部分 9

4.1、无线模块 9

4.2、单片机模块 9

4.3、驱动步进电机模块 11

4.4、程序部分 11

4.5、实验总结 13

第五章 总结与展望 14

第一章 引言

1.1研究课题的意义以及背景

Wifi通信技术是现在科技发展的结晶，wifi技术传输具有良好的可靠性，高效性，便捷性等特点，因此，依靠于智能手机的普遍应用，wifi技术被广泛应用于人们的日常生活中。例如，在生活中随处可见的wifi网络，正是利用了wifi的高速传递信息的特点。可以说，现代社会是wifi社会，人类的日常生活已无法离开wifi。随着时代的发展，目前手机基本上能够完成大多数诸如外卖、上网、游戏等需求，由此，手机已成为了人类的随身必带之物，而本次的研究设计正是基于wifi通信模块的公共智能锁的设计初衷。正式如此，在高速发展的今天，人们是不是只需要一部手机，而不需要带佩戴繁重的钥匙呢？以前的钥匙多而繁杂，十分不便于人们的日常生活，若是通过手机进行开锁关锁，利用wifi技术的快速连接且安全传输的特点，是不是可以让人们在只拥有手机的情况下，就可以进入门自由，同时还保证财产以及人身的安全。

假设一种情形，在钥匙被某些不法分子通过某种途径偷走，则房屋的财产以及人生安全会造成大大的损害，而手机自带的安全系统可以防止不法分子在短时间破门而入。因此，这正是这个课题的意义所在，设计出一种能够远程控制的便捷智能锁，无需钥匙，只需要手机即可，就可以通过手机远程控制锁的开关，达到控制人员进出入的目的，这样的锁具正适用于办公场所，包括居家，工厂等各类场所的各种锁具需求。

1.2研究现状

据考证，锁具发源地有两个地方，一个是在两河流域及埃及，而后传到希腊和整个世界，锁具具有悠久的历史，从远古时期的木锁到后来的铁锁，再到如今的各类智能锁，比如指纹锁：利用指纹识别技术，可以控制进出人员的目的；人脸识别锁：利用人脸识别，扫描人的脸部特征，达到开锁关锁的目的；密码锁：通过输入密码，判断密码与系统设置密码的是否相同，控制人员进出门的智能锁等等，作为一种广泛的智能锁设计-wifi智能锁具与其它智锁具相对比，指纹锁和人脸识别锁的成本高昂，普通用户无法承受，而密码锁在密码忘记后会造成的繁琐操作，且wifi锁自身具有可靠的安全性能，受到广大人民群众的喜爱。

1.3研究目的和内容

本研究通过设计出一种只需手机操作，利用wifi连接，简单地点击APP上的开锁和关锁键即可完成用户的出入需求的锁具，同时，也保障了用户的自身人生和财产的安全。该设计的软件通过C语言编写，C语言作为大学入门的语言，因此有一定的知识基础。核心芯片则采用了STC89C52芯片作为整个系统的控制芯片，STC89C52单片机被广泛用于各个产品的设计中，相较于51单片机而言，该芯片功能更多，应用范围更广，内置的8KROM足够容纳一切的程序。而本次设计的wifi模拟模块则选择ESP8266作为接受和发送信号的wifi模块芯片，该芯片成本低，同时足够实用，完全满足本次的wifi模块功能的功能设计。而锁具则是市面上普通能够购买的电机锁，该锁有良好的寿命和低耗性，达到用户对锁具的一般要求。

第二章 硬件介绍

2.1芯片

本设计使用到了STC89C52芯片，该芯片运行稳定，耗能低，有着不错的抗干扰信号等特性，指令代码兼容传统的8051单片机的通用特性，可以选择12时钟或者6时钟两种机器周期。

图2.1 52单片机结构图

STC89C52RC单片机各个引脚如图2.1所示，以下为各个引脚的说明：

VCC（编号40引脚）：接电源的引脚（工作电压：5.5~3.3V）^[1]。

VSS（编号20引脚）：接地端引脚^[1]。

P0端口（P0.0~P0.7,39~32引脚）^[1]：

表格2.1 P2引脚功能图

P3是一个带有内部的上拉电阻的8位可双向传输的I/O端口。输出时可驱动的TLL电平为4个。端口若置位高电平“1”时，内部上的上拉电阻将端口拉到高电平以此作为输入端口。对内部的Flash程序存储器进行编程，接收传入的控制信息。除此外，P3端还有另外一个功能。该功能如下列表所示^[1]：

表格2.2 P3脚功能表格

RST引脚当该端口输入两个机器周期的高电平，可对该系统进行复位，当复位后，单片机回到初始状态。看门狗计时器操作完成后，RST引脚输出高电平（96个），在默认状态下，该端口为高电平有效状态，而特殊寄存器AUXR上的DISRTO位可以使复位功能无效^[1]。

ALE端口为52单片机的30引脚，当系统访问外部程序存储器时，可以锁存低8位的输出脉冲信号。在编写内部程序时，该引脚可以当作输入脉冲使用。一般来说，该端口用做外部定时器时，需要在晶振1/6的固定频率环境下输出脉冲。同时，若访问外部数据存储器，系统识别信号后，ALE脉冲将会跳过读取^[1]。

外部程序存储器选通信号引脚（引脚29），当单片机从的外部程序执行代码，该端口可被激活两次，访问外部数据时，而该端口不被激活使用^[1]。

访问外部程序存储器控制信号引脚（引脚编号31），当该引脚加密方式为“1”时，该端口内部锁定为RWSET状态。在执行内部程序指令时，该引脚需接入VCC电源。接地后，使能端可以从外部存储器读取指令。对内部程序进行编程，端口可几首12V的Vpp电压^[1]。

振荡器反相器和内部时钟发生电路的输入端口为编号引脚19，该端口直接接入电容的并联^[1]。

振荡器反相放大器的输入端口编号引脚18，该端口接入外部晶振和电容的并联接地^[1]。

2.2电机锁

图2.2 电机锁图

电机锁又叫灵性锁，该锁结合了传统锁具的优点，同时，相对传统锁具而言，该锁寿命较长，当锁舌伸动时，由于较小的摩擦，不会发出巨大的开锁声响，同时，耗电较低，能够节省电力电力消耗，电机锁的特点如下：

(1)无方向：不需要辨别开门的方向，左右开门都可以满足。

(2)耗电性：十分地省电，所需电量仅是电控锁的五分之一左右，电控锁导通电流需要3A，通常耗电电流为0.27A，而电机锁开锁瞬间电流小于0.5A，相比较而言，电机锁的耗电性能无疑更加出色，减少了耗电性能。

(3)无碰撞：关闭门时，由于没有碰撞，降低了对门的消耗，延长门的寿命年限，对闭门器的条件降低解决了楼宇的门因为闭门器开闭时用力过大造成的形变最终导致该装置无法使用的情况，延长了门体的使用的寿命。

(4)声音轻：关门自动上锁，无较大的声音，解决了电控锁的自身因素导致较大噪音的问题。

(5)寿命长：可多次使用高达35万次，寿命年限为数年。

(6)摩擦小：可适用于多种诸如办公室，公寓等场所，锁舌的工作摩擦小，而电控锁通过压力工作，多锁舌的摩擦摩擦负荷大。

(7)自动检测锁舌状态：若开锁后门并没有打开的情况下，锁具自动延时时间再次上锁，同时，开门后若锁舌被拉出，而锁具能够自动回位锁舌，以此提高了整个门禁系统的安全性能。

(8)安装方便：相较于其他传统锁具，安装比较便捷，容易组装。.

(9)适应性：可适用于多种场所。

(10)安全性：防撬性，安全性均较强，保证了用户的财产以及自身安全。

2.3小结

芯片方面本设计采用了ESP8266芯片作为通信模块的芯片，该芯片成本低，性能又相较稳定，适合作为学生的实验开发，该芯片由三种模式可供选择，此次实验采用了AP工作模式，用户可用WSP-TOUCH协议实现智能配置，而该通信协议为JSON和HTTP REST。控制芯片用到了广泛使用的52单片机（STC89C52）作为整个系统的控制芯片，该芯片拥有8字节的FLASH程序，和512字节的RAM（相较于51单片机有更大的RAM容量）以及32位I/O引脚，内置4kB的EEPROM以及MAX810复位电路，3个16位的定时器/计数器和4个外部中断，本实验主要用到了P1，P2以及P3口进行设计。锁具部分用到了常见的电机锁，该锁寿命较长，耗电低，易于改造等特点是我选择它为实验的终端锁具的理由。

第三章 设计方案及原理

3.1、总体设计方案

该基于wifi通信模块的公共智能门锁系统，利用了52单片机作为整个系统的控制芯片，结合了目前流行广泛的wifi技术，GSM通信的技术，NFC近距离的无线通信技术，能够让用户在一种可靠且安全便捷的环境中远距离遥控开锁，只需要平常使用的手机，利用wifi的技术，连接智能锁，用户通过操作手机上的APP软件，点击“开”和“关”按键即可完成开锁和关锁的设计，可以说大大方便了平常百姓的日常生活。

总体框架图图下图3.1所示：

图3.1 总体框架图

3.2、系统功能设计

3.2.1wifi通信模块的理论

当组建局域网时，需要考虑频带上的资源分配问题，若是分配不合理，则会造成耗能过高的情况，为避免此种情况，CC1101可在400MHZ左右的频段工作，在1MHZ的通信间隔的情况下，可以保证各个通信区间不被其他通信区间干扰而影响了系统整个功能，CC1101的载波频率公式如下所示^[3]：

（1）

在整个公式中，载波频率和晶振频率均设置为25MHz，由多个寄存器的23频率决定了整个系统的基本频率特性，，和分别通过了寄存器和八位信道数量的其它寄存器共同进行设置和运行，保证了系统的合理资源运用。同时，为了避免频段干扰的发生，导致了频率信号的迁移错位而造成了最终信号输出的混乱情况，实验中设置了500MHz的信道滤波带宽，这样有足够的抗干扰能力，再通过使用1MHZ的通道频率间隔，防止了由于各个通道频率由于不稳定导致的跃迁情况，使用333kHz信道间隔，并选择了CHANNR_CHAN中的第3条信道，再通过给定的确定的值。若为434MHz，为0x16EFB。在实际生活中，为了防止信号之间的干扰作用，不同局域网wifi采用了不同频率通信频率段^[3]。如图3.1，设置相应寄存器的值^[3]。

UART转WIFI：选用USR-WIFI1232-B作为串口转WiFi模块，在此模块中，有几种特点：

(1)组网模式：USR-WIFI232-B的无线模块支持AP、STA、AP STA这三种功能。此系统中，将USR-WiFi232-B配置成AP STA模式、锁里面的无线模块作为STA和此模块相连接，于此同时连接PC客户端、移动终端进行稳定可靠的通信^[3]。连接方式如图3.2所示^[3]：

图3.2 连接方式图

(2)安全机制及网络协议：USR-WIFI1232-X是一种支持多种类型加密的wifi通信模式，如WEP、WPA-PSK/AES等等，而此系统中，采用了WAP-PSK/AES无线网络加密的方式。USR-WiFi232-X模块支持TCP/UDP无线的通信协议，USR-WiFi232-X网络端接口可在服务器模式下工作，通过外接服务器建立局域网，也可以在客户端模式下，通过电脑设置网络。用户可通过Web或者串口发送AT 命令进行模式的选择^[3]。

数据格式定义：无线模块与集中器之间通过自定义的协议进行即时通信，在传递数据的过程中，数据的形式如下表格（校验的方法是从帧头到帧尾逐一进行校验，校验过程为校验前一位的算术和对256的余数）：

表格3.1 数据格式

1B 1B 2B 1B 2B 1B lt;=40B 1B

无线模块的软件设计：

通信测试：对于无线传输而言，远距离传输可靠性的重要性不言而喻，尤其是对于次设计的锁具而言，锁是人类的保护神，则信息的安全传输而不被盗用显得十分重要。根据测试，在室内的环境下，在发射的最大功率10dBm时，实测传输距离可达30m之长，下列公式为理论计算分析^[3]：

（1）

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