基本信息

实验环境

Arduino IDE
Win 10电脑
宿舍门锁：老式旋转开关门锁

实验材料

NodeMCU：以ESP8266为核心模块，CH9102X驱动版本（CP2102驱动升级版）
4x4矩阵薄膜键盘
MG996R 金属标准舵机 180度（3.0-7.2V）
其它：microusb数据线、面包板、杜邦线若干

NodeMCU,是一个开源的物联网平台。它使用Lua脚本语言编程。该平台基于eLua 开源项目,底层使用ESP8266 sdk 0.9.5版本。该平台使用了很多开源项目, 例如 lua-cjson, spiffs. NodeMCU包含了可以运行在 esp8266 Wi-Fi SoC芯片之上的固件,以及基于ESP-12模组的硬件。总结来说，nodemcu本质就是ESP8266+USB转串口芯片，ESP8266是一块可编程的WIFI芯片。

（一）驱动安装、环境配置、例程运行

参考：

https://blog.csdn.net/qq_41904864/article/details/106202073
https://diyi0t.com/esp8266-nodemcu-tutorial/

驱动安装

驱动下载：https://pan.baidu.com/share/init?surl=zPPIEOM2Xoz2t5JOnsYssg 提取码：y5tb
驱动安装：右键管理员模式运行安装程序，默认配置即可。

将电脑连接上NodeMCU，在设备管理器→端口（COM和LPT） 下查看是否显示连接上了设备，确认驱动安装成功（可以看到显示连接到了COM3端口）。

Arduino下载安装及配置

Arduino下载主页：https://www.arduino.cc/en/software
一路点击下一步/同意即可。
Arduino默认界面：

在文件→首选项中，设置附加开发板管理器网址为：http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

点击工具→开发板→开发板管理器，搜索ESP8266，点击安装，安装该开发板定义。这里因为要从github上下载文件，可能需要科学上网（若无法科学上网，可参考这篇文章解决）。安装完成后显示installed就可以了。

在工具→端口选择刚刚在设备管理器看到的端口号COM3，在工具→开发板选择NodeMCU 0.9（根据自己板子的实际Module情况选择，CP2102驱动选NodeMCU 1.0也可以）。这样Arduino就可以和NodeMCU通信了。

例程运行

使用C语言编程，以下代码来自：https://www.scaugreen.cn/（这个博客的系列教程很好，推荐）

Arduino相关功能区如下：
- 验证：类似编译。
- 上传：类似编译+运行。
- 新建、打开、保存：对文件的操作。

例子一：串口通信

程序功能：NodeMCU每隔1秒向串口输出“WiFi connected”信息。

void setup() {// put your setup code here, to run once:Serial.begin(115200);delay(10);Serial.println();Serial.println();Serial.print("Connecting to ");
}void loop() {// put your main code here, to run repeatedly:Serial.println("WiFi connected");delay(1000);
}

点击验证，提示编译成功。

点击上传，NodeMCU开始运行程序（写入过程，板子上LED会闪烁），打开工具→串口监视器，可查看程序是否运行成功。注意串口监视器的波特率要调到和程序以及板子一致，否则会出现乱码。

一旦NodeMCU通电，程序就会不断地运行（可以从串口监视器看到）。按下板子USB口旁边的RST按键进行Hard Reset，会重启板子，同样也会自动运行该程序。

例子二：控制LED闪烁

程序功能：NodeMCU板子上自带的LED灯循环闪烁（亮→等1秒→暗→等2秒）。注意此时无串口通信。

//如果是nodemcu V3版，需要另外定义LED引脚
//#define LED_BUILTIN 2
void setup() {pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // Initialize the LED_BUILTIN pin as an output
}// the loop function runs over and over again forever
void loop() {digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // Turn the LED on (Note that LOW is the voltage level// but actually the LED is on; this is because// it is active low on the ESP-01)delay(1000);                      // Wait for a seconddigitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // Turn the LED off by making the voltage HIGHdelay(2000);                      // Wait for two seconds (to demonstrate the active low LED)
}

过程同上：复制程序→验证（显示编译成功）→上传（板子LED闪烁）→上传成功，程序开始运行（LED规律闪烁）

完成上述步骤，就可以正式开始使用NodeMCU制作项目了。

（二）将老式门锁改造为简易密码锁

NodeMCU引脚图

注意此引脚图是CP2102驱动版本的（也适用于CH9102X驱动版本）。

将舵机连接至NodeMCU

舵机参数

工作电压：3.0-7.2V（数据来自淘宝店家）
180°舵机：可以直接控制舵机旋转的角度，但舵机只能够旋转180°。
接线：
- 红色线：电源正极（接VIN，接3.3V实测电压不够）；
- 棕色线：电源负极（接GND）；
- 橙色线：信号线（接GPIO口）。

Demo

参考：https://www.zhihu.com/zvideo/1307328392610324480

代码功能：舵机缓慢地从0度转到90度，再从90度转回0度，如此循环。

#include <Servo.h>                  //加载舵机库
Servo myservo;                      //定义一个舵机对象
int _servo = 14;                    //IO14（D5）
void setup() {myservo.attach(_servo,500,2500);  //设置指定io为舵机，500和2500是为了让旋转角度正确myservo.write(0);                 //开机设置舵机为0度
}void loop() {for(int i=0;i<=180;i++){           //控制舵机角度由0度旋转到90度    myservo.write(i);               //i的值不断变大，角度偏转delay(15);                      //暂停时间，单位毫秒，用来延缓过程，展现效果}for(int i=180;i>=0;i--){           //控制舵机角度由90度返回到0度          myservo.write(i);               //i的值不断变小，角度偏转delay(15);                      //暂停时间，单位毫秒，用来延缓过程，展现效果}
}

在myservo.attach的时候，需要设置和MG996R匹配的最小/最大信号脉冲宽度（500_{2500us，500us对应0度，2500us对应180的），Arduino默认是从544}2400us，这样就会使得转动角度不是myservo.write要求的值。（参考这个回答）

将矩阵薄膜键盘连接至NodeMCU

下载并安装Keypad库

在Arduino IDE的工具→管理库，选择主题“设备控制”，搜索keypad，找到Keypad by Community，点击安装。

Keypad库的介绍及文档见此网页：https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/keypad/

Demo

参考：https://techtutorialsx.com/2017/03/18/esp8266-interfacing-with-a-4x4-matrix-keypad/

代码功能：按下按键，通过串口监视器输出按键结果

#include <Keypad.h>const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 4; //four columns
char keys[ROWS][COLS] = {{'1','2','3','A'},{'4','5','6','B'},{'7','8','9','C'},{'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {D7, D6, D5, D4}; //connect to the row pinouts of the keypad
byte colPins[COLS] = {D3, D2, D1, D0}; //connect to the column pinouts of the keypadKeypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );void setup(){Serial.begin(115200);
}void loop(){char key = keypad.getKey();if (key != NO_KEY){Serial.println(key);}
}

检测键盘上是否输入了正确的密码

功能：

如果输入是“*”→重置输入。让用户可以删除以前的插入（也许用户错误地输入了一个字符）。
如果输入是“#”→检查输入是否正确并清空输入区。

参考：https://diyi0t.com/keypad-arduino-esp8266-esp32/

#include "Keypad.h"
#include "Wire.h"const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 4; //four columnschar keys[ROWS][COLS] = {{'1','2','3','A'},{'4','5','6','B'},{'7','8','9','C'},{'*','0','#','D'}
};// For ESP8266 Microcontroller
byte rowPins[ROWS] = {D7, D6, D5, D4};
byte colPins[COLS] = {D3, D2, D1, D0}; Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);const int len_key = 3;
char master_key[len_key] = {'1','2','3'};
char attempt_key[len_key];
int z = 0;void setup() {Serial.begin(115200);Serial.println("Insert Password");
}void loop() {char key = keypad.getKey();if (key){switch(key){case '*':z=0;break;case '#':delay(100); // added debouncecheckKEY();break;default:attempt_key[z]=key;z++;}}
}void checkKEY()
{int correct=0;int i;for (i=0; i<len_key; i++) {if (attempt_key[i]==master_key[i]) {correct++;}}if (correct==len_key && z==len_key){Serial.println("Correct Key");z=0;}else{Serial.println("Incorrect Key");z=0;}for (int zz=0; zz<len_key; zz++) {attempt_key[zz]=0;}
}

通过键盘输入正确密码驱动舵机开锁

在刚刚的代码基础上加入舵机功能即可：密码输入正确，舵机旋转指定角度，等待几秒，转回0度。

#include "Keypad.h"
#include "Wire.h"
#include <Servo.h>                  //加载舵机库
Servo myservo;                      //定义一个舵机对象int _servo = 15;                    //IO15（D8）const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 4; //four columnschar keys[ROWS][COLS] = {{'1','2','3','A'},{'4','5','6','B'},{'7','8','9','C'},{'*','0','#','D'}
};// For ESP8266 Microcontroller
byte rowPins[ROWS] = {D7, D6, D5, D4};
byte colPins[COLS] = {D3, D2, D1, D0}; Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);const int len_key = 3;
char master_key[len_key] = {'1','2','3'};
char attempt_key[len_key];
int z = 0;void setup() {myservo.attach(_servo,500,2500);  //设置指定io为舵机，500和2500是为了让旋转角度正确myservo.write(0);                 //开机设置舵机为0度Serial.begin(115200);Serial.println("Insert Password");
}void loop() {char key = keypad.getKey();if (key){switch(key){case '*':z=0;break;case '#':delay(100); // added debouncecheckKEY();break;default:attempt_key[z]=key;z++;}}
}void checkKEY()
{int correct=0;int i;for (i=0; i<len_key; i++) {if (attempt_key[i]==master_key[i]) {correct++;}}if (correct==len_key && z==len_key){Serial.println("Correct Key");myservo.write(180);delay(4000);myservo.write(0);z=0;}else{Serial.println("Incorrect Key");z=0;}for (int zz=0; zz<len_key; zz++) {attempt_key[zz]=0;}
}

解决电流过小充电宝不供电的问题

使用充电宝NodeMCU供电，由于电流过小，充电宝会认为NodeMCU没有在用电，于是结束供电。

进行一番搜索，觉得诱骗负载等方式不太合适，最后选择在万能的淘宝上搜索“小电流不断电充电宝”，一般是用来充蓝牙耳机等小电流设备的，不会自动关闭，也可以用于NodeMCU供电。

一个神奇的解决方法：

实验发现，如果不进行任何操作，NodeMCU连接充电宝时是不会断电的，但是输入密码运行舵机后，过一会充电宝就会断电，但是若在运行舵机后，Reset NodeMCU，又不会断电了。

因此，将舵机运行代码之后加上一段重启命令，充电宝就不会自动断电了，也不需要购买特殊的充电宝，至于是什么原理，还不太清楚Orz。可能是因为之前用NodeMCU给舵机供电，电流太大，让NodeMCU出现了问题：

delay(6000);
ESP.restart();

最后使用不断电充电宝+面包板电源模块，分别给NodeMCU和舵机供电。

降低设备功耗

由于没有使用到Wifi功能，可通过关闭Wifi功能降低功耗。

WiFi.disconnect();
WiFi.mode(WIFI_OFF);
WiFi.forceSleepBegin();

在不使用舵机的时候，不给舵机通电。

digitalWrite(_servo, LOW); //给舵机断电
digitalWrite(_servo, HIGH); //给舵机通电

将全套设备固定到门上

门锁开关是转动式的。如图，将一根较粗、质量较好的线（最好面积大一些），一头粘到开关上，绕过某个支点（这里直接用了门环），另一头粘到舵机一端，找好舵机的位置（使得舵机一端转动180度以后刚好带动开关把门打开），最后将舵机粘在门上，经测试，在键盘输入正确密码后，舵机转动，刚好能带动开关开锁。

这里舵机的位置和角度、绳子长度、粘贴方式都需要自己调整一下，比如在初始位置时，就可以将开关转动一些，以免舵机转动距离不够。

所有粘贴均使用热熔胶完成，舵机、热熔胶、绳子的强度都比想象得要大（人工测试，通过这种方式扭动开关还是需要挺大的力）。热熔胶在一段时间后可能会失去粘性，需要重新粘一次，也可以尝试使用别的方式进行固定。

NodeMCU和充电宝放到小盒子里，将小盒子粘到门上，键盘粘到门外即可。

这样，我们成功地将老式门锁改造成了一个简易的密码锁。

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基本信息

实验环境

实验材料

（一）驱动安装、环境配置、例程运行

驱动安装

Arduino下载安装及配置

例程运行

（二）将老式门锁改造为简易密码锁

NodeMCU引脚图

将舵机连接至NodeMCU

舵机参数

Demo

将矩阵薄膜键盘连接至NodeMCU

下载并安装Keypad库

Demo

检测键盘上是否输入了正确的密码

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