这个计划其实已经酝酿很久了，从我开始接触NFC到现在已经一年了（在Windows下编译支持ACR122U的libnfc、Mifare Classic 1K智能卡介绍及nfc-tools的使用，感谢TUNA），但一直没有时间去搞，而且中间有一些细节一直没想清楚，如果没完全想明白的话，是很难下手去做的。经过详细的思考和与专业人士的讨论（感谢江江的耐心指导），终于在最近把详细的方案设计了出来并把它实现了。（拖了很久才写完）

虽然刷卡开门并没有什么卵用，毕竟研究这玩意的时间已经够我手动开锁开好几年了，但是为了秉承理工科生“善于解决问题，没有问题创造问题也要解决问题”的一贯作风，我还是把它实现了。最关键的是在这个过程中还是学到了不少东西的。

正因为我不是专业做这个的，所以有些设计和实现并不是很优雅。但即使是这样，记录下我的思考过程和实施过程也是很有意义的，下面就来详细介绍一下。

设计方案

我们的设计目标主要有两点，一是用最简单的方法完成任务，二是不改变原有的门锁结构。

经过对门锁的观察，我发现一个最容易开锁的方法就是在旋钮的上侧用绳子向左拉。

用什么把绳子固定在旋钮上呢？以我多年的经验，热熔胶是最好的选择，它效果好、使用简单，想去掉的话也很容易。

那怎么牵引这根绳子呢？自然而然我们可以想到使用电动机，例如电动小马达。我们只要给电机供电，让它转，就可以拽绳子了。但我就是在这里卡了很久，因为有几个问题没有解决：

• 怎么控制电动机通断电？因为我们不可能让它一直转，难道我们要再买个电磁继电器吗？
• 怎么控制电动机反向转？因为拉开锁之后我们必须让它转回去，否则在门内无法手动关锁。简单的做法是交换正负极，但这个要求我们设计电路。
• 怎么控制电动机转的时间？当然我们可以固定一个时间，但是我们必须要考虑一个问题，一旦电动机拉到底，转不动了，整个电路就相当于短路了，这很容易把设备烧掉。
• 电动机需要施加多大的力？

所以说，一个简单的问题里需要考虑的事情还是非常多的，我也正是因为没有完全解决这些问题才没开始做。后来经过跟江江的讨论后发现，我实在是太孤陋寡闻了，原来这世界上还有个叫舵机的东西，完美解决了上述问题。

现在通常使用数字舵机，它一般有三根线：正极、负极和控制。它通常工作在5V，通过在控制线上给一个矩形波，控制旋转的角度。买舵机的时候，主要有最大旋转角度和扭矩大小的区别。这个够用就行了，不然太贵不划算。

动力问题解决之后，我们要思考控制问题。综合考虑便捷程度和价格，我决定选用Raspberry Pi Zero W开发板。为什么选这个呢？因为它有无线网卡可用于联网；有Mini HDMI接口用于视频输出；有Micro USB可以接外设；GPIO齐全；可参考的资料多；Linux系统实现起来简单；而且——价格也比较便宜，只要100多块（不含存储卡）。具体实施的时候，我们只要用GPIO输出控制信号给舵机就可以了。

刷卡问题怎么解决呢？首先观察门的构造，发现中间有块玻璃使得内外距离变得很小，从而实现读卡器放在里面但在外面刷卡。然后我们要对NFC读卡器进行选择。我之前研究NFC的时候就买了个ACR122U，但是那个要100多块，太贵了，平常可能还会用到，粘门上不方便，于是准备买个NFC模块，实在不行的话就用ACR122U也行。结果还真的不太行，但不管怎样，有了ACR122U，刷卡的问题一定可以解决。

现在，我们还差最后一步：供电问题。由于开发板和舵机都是5V电压，所以我们用普通的手机电源适配器，拉导线过去供电就行了。但由于树莓派要求1.5A电流，又考虑到电阻损耗问题，所以决定使用5V 2A的电源适配器。

至此，所有问题都已经解决，只是在具体的材料选择和实施方案上会有差别，但这也只会影响到要花多少钱和多少时间。

总结一下：

• 用粘在旋钮上的绳子开锁
• 用舵机牵引绳子
• 用树莓派控制舵机
• 树莓派连接NFC读卡器获取卡片信息并认证
• 使用5V 2A电源适配器给整个系统供电

虽然说起来简单，但还是有不少细节需要处理。

工具和材料准备

工欲善其事，必先利其器。工具不齐全还是不行。准备好以下工具是很必要的。

如果有下面这些更好。

巧妇难为无米之炊。我们还需要准备以下材料。

简单解释一下这些工具和材料都是干嘛的。

首先，为什么要网线呢？因为——我没有导线啊！导线不够，网线来凑！由于距离实在是太远，考虑到电阻可能比较大，于是考虑两根线并联在一起。这样双绞线的8根线变成了正负正负4根线，正好可以为树莓派和舵机供电。关键是这网线质量非常好，后来才发现好几米的网线比我10cm的排线电阻还小，所以并联是多余的。

电烙铁用来焊导线和树莓派上的排针；网线不太吸焊，要用点松香助焊；热熔胶用来固定网线以及门上的树莓派、舵机等；万用表测一测有没有焊好；压线钳剥网线很有用；排针焊坏了可以用吸焊器；酒精可以用来去热熔胶，稍微喷一点等个几秒就可以一整块地拿下来了；读卡器用来装系统；Raspberry Pi Zero W的视频输出需要用Mini HDMI转接头。

关于材料基本上在前面都解释过了。电源适配器需要5V 2A的，最好是多口的，省心；读卡器要质量好一些的，不然半天读不出来卡还不如拿钥匙；开发板可以在够用的前提下买便宜的；舵机一样；家中常备网线很关键，质量稍好一些的超五类线即可；排线还是齐全一点比较好，我们把排线焊到导线上，这样连接设备会很方便；Raspberry Pi Zero W上的USB是Micro USB，因此需要OTG线，如果要同时接Mini HDMI的话还不能是那种大头的，不然会挡到Mini HDMI的接口；USB线是很重要的，至少需要两根，考虑到可能还有其他用途，就买了Micro USB线，质量也是比较好的那种快充线，可以跑2A电流，我是在1688上批了一盒，一块钱一根，运费8块，我们把USB线接到电源适配器上，另外一边剪断，焊上排线，给设备供电；黑胶带用来裹住导线焊点，防止触碰短路。

实施过程

开工！

准备线材

首先把排线焊到USB线上，由于舵机和树莓派是分开供电的，所以需要两根。

普通USB有4根线，两根电源线和两根数据线，一般是红黑绿白，分别是正极、负极、D+、D-，不过我这里是红黄绿白。由于我们只需要供电，因此只需要把焊红黄两根线。焊完之后用黑胶带裹一下，防止碰到短路。

同理，我们给网线也焊上排线，但要注意公母选择问题，并且记住哪个是正极哪个是负极。我这里选择橙绿为一对正负极，蓝棕为一对正负极。

准备树莓派

先装个系统。为了方便，我直接选Raspbian了，使用的是官方的NOOBS安装，装起来十分方便，只需要把SD卡格式化成FAT32然后把下载的zip解压到卡里，插上电源就可以进入系统安装界面了。

为了使用GPIO，还需要焊上排针。

编译安装ACR122U的驱动：

tar -jxvf acsccid-x.y.z.tar.bz2
cd acsccid-x.y.z
./configure
make
make install

不过貌似树莓派自带这个驱动？但这一点我没有确定，因为我是先装的驱动才用的。

安装libnfc：sudo apt-get install libnfc-dev libnfc-bin libnfc-examples libusb-1.0-0-dev，顺便把一些其他的库也装了。

代码编写

很显然，python和bash是最适合做这项工作的。

（图片来自https://pinout.xyz/）

确定一个控制引脚后，我们需要树莓派GPIO定义确定它的编号。这里我使用的是GPIO 40，但在程序里要用BCM序号进行控制，也就是21。代码很简单，核心的就是通过控制占空比来控制转动的角度。

# -*- coding:utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import signal
import atexit
import sys
atexit.register(GPIO.cleanup) 
servopin = 21
f = 50
per = 2.5
ang = float(sys.argv[1]) # 设置舵机角度
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(servopin, GPIO.OUT, initial=False)
p = GPIO.PWM(servopin,f)
p.start(0)
p.ChangeDutyCycle(per + per * 4 * ang / 180)
time.sleep(1.0/f)

假设舵机最大角度为180度，则执行ctrl.py 70就可以让舵机转动70%*180度。

接着，我编写了一个bash脚本，来做整体的控制。读取uidlist.txt里的信息，里面存放了所有放行卡片的UID，一行一个，每行是4个字节，用小写十六进制表示，字节之间用一个空格隔开。刷卡通过后会记录日志到log.txt。

代码也很简单，通过不断读取nfc-list的输出，查看其中有没有我们的UID。里面有个细节要注意一下，就是echo $nfcinfo之后UID的字节之间的两个空格会被吃掉一个变成一个，因此uidlist.txt里面字节之间只要一个空格即可。

#!/bin/sh
cd /home/pi/main
while true
do
    nfcinfo=`nfc-list`
    echo $nfcinfo
    cat uidlist.txt | while read line
    do
        res=`echo $nfcinfo | grep "$line"`
        if [ ! -n "$res" ]; then
            echo "No such card"
        else
            log=`date "+%Y-%m-%d %H:%M:%S"`
            log="$log, \"$line\""
            echo $log >> log.txt
            python ctrl.py 100 && sleep 2s && python ctrl.py 0
            sleep 5s
        fi
    done

    sleep 1s
done

修改启动项，sudo vi /etc/rc.local开机启动/home/pi/main/main.sh >/dev/null。

测试

把材料准备好，插入读卡器，测试一下能不能正常刷卡控制舵机，测试完毕后再进行后面的操作，不然都粘门上之后不好调试。

布线与安装

上热熔胶&网线！

细节与插曲

• USB和GPIO都可以给树莓派供电，用GPIO可以少焊个USB线。
• 舵机与树莓派共地。尤其是如果不是像我这样一个适配器多口的。
• OTG线不能是那种没有线只有头的（很胖的那种），不然会挡住旁边的Mini HDMI接口。当然，不用它的话自然是没什么问题了。
• 记得关万用表电源！电池倒是很便宜，但是浪费啊！而且得买新的啊！幸亏有一个备用的，不然淘宝买电池还得等两天。或者买带自动关机的万用表……
• 我买的这个USB线，红和黄的铜丝多一些，至于原因嘛，那是因为它俩是供电线，当然电阻要小一些更好。
• 排线的颜色要选择好，不然自己都分不清正负极。我一般都是红色或其他比较容易分辨的暖色调为正极，白色、黑色或灰色为负极。
• 网线质量太好，导热性太好，焊的时候把我手烫死了。
• 松香助焊剂是必不可少的，用电烙铁在松香盒里烫几下，拿导线沾一点松香就很容易粘住焊锡了。
• 搞的时候还是要小心一点，树莓派太脆弱了。我在测试的时候不小心拿万用表的一根表笔碰了一下，导通了3.3V和5V的Pin，树莓派就直接重启了……
• 在热熔胶侧面喷一点酒精，等5秒之后热熔胶与接触面就不怎么粘了，就可以比较轻松地一下把一整块都揭下了。

成果

附录

读卡器PN532的问题

我一开始是想用PN532的，毕竟便宜。但用了之后发现实在是太慢，对距离要求也太高了，于是放弃。不过还是把PN532相关的内容作为附录放在下面吧。

首先焊上排针。

我们以使用I2C接口为例，将PN532开关调至I2C模块，首先sudo raspi-config开启树莓派的I2C接口。

接着sudo vi /etc/nfc/libnfc.conf修改内容：

allow_autoscan = true
allow_intrusive_scan = false
log_level = 1
device.name = "fz"
###device.connstring = "pn532_uart:/dev/ttyAMA0" # for UART
device.connstring = "pn532_i2c:/dev/i2c-1"

安装一些库：sudo apt-get install libnfc-pn53x-examples libpcsclite-dev

使用lsmod | grep i2c可查看系统I2C接口是否开启，根据GPIO定义图连接好I2C的线，使用sudo i2cdetect -y 1查看是否检测到PN532。

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- 24 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- --                         

显示出一个字节的信息即成功。

注意：如果更改PN532的模式后记得要给PN532断下电才能生效。如果是通过USB TO TTL连接到电脑，则PN532必须是HSU(UART)模式。

PN532对卡片质量要求也高，Type A的北京市公交卡读起来没问题，同为Type A的银联卡（用于闪付的NFC芯片），在尝试各种姿势之后，三张中有两张勉强可读，一张不可读。Type B的校园卡和身份证怎么变换姿势都不可读。

感觉自己买到了个假模块……

控制代码

这样的代码也可以：

# -*- coding: utf-8 -*-
import sys
import RPi.GPIO as GPIO
import time
pin=21
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)
time.sleep(0.000001*float(sys.argv[1]))
GPIO.output(pin, GPIO.LOW)

GPIO.cleanup()

使用python ctrl.py 1300 && sleep 1s && python ctrl.py 150控制，但是精确度不如上面那个高。

后续

树莓派跑不动了，无限重启，十有八九还是供电问题。唉，不知道怎么解决了，拉那么长的线过去确实还是电阻比较大。只能暂时搁置了……心痛……

2018-02-26 UPDATE: 在HHJ的建议下，我采取了并联电容的方法，但仍然没有解决。而今天我又再次尝试了一下，并联了5个电容上去，居然就真的好了！这说明我买的电容还是不够大啊，都1000uF了居然还不够！