使用 ESP32 将单元门门禁接入智能家居

2024-10-31 11:42 #esp32 #esphome #智能家居 #门禁

前言

在很久以前，小区单元门门禁卡是可以复制到手环上的，回家开门不需要从口袋里掏掏掏就能解锁单元门。但好景不长，小区换了门禁系统，门禁卡再也没法复制到手环上了，再加上家门是密码锁，平常出门根本不会带钥匙，要我随身带一张门禁卡可真是要了老命，所以我急需一个新的方案来方便我回家。

既然门禁卡加密了，那我们当然应该想着把门禁卡加密给破解了，但是想要破解门禁卡还是有点难度的，一方面我对 RFID 卡片破解的知识还停留在 16 年，而且手头也没有合适的工具，所以我不打算从卡片破解入手。

既然没法破解门禁卡，那还有什么方法能方便快捷地解锁单元门呢？一般来说，解锁单元门有两条途径，一是在楼下刷卡，二是在楼下按门铃，楼上点击解锁。既然我没法破解门禁卡，那我就从第二种解锁途径入手，在楼下按门铃，然后用一个 IoT 设备在楼上点击解锁按钮。我正好会一些！那就开干吧！

先放张门铃的照片，可以看到它的构成非常简单，左边一个听筒以及检测听筒是否挂在墙上的开关，右边一个解锁按钮，门铃响后按下去就可以解锁单元门。

门神 MVP v1.0

~~我们先来写一下 BRD：~~

👆 这人一看就是上班上癫了

我才不要随身带什么他妈的门禁卡
我拎着一堆东西回家的时候别让我再去口袋里掏半天东西

~~根据 BRD 再来写一下 RPD：~~

不带门禁卡了，但手机肯定得带身上，那可以在楼下先按门铃，然后手机控制楼上的 IoT 设备点击解锁
自动识别门铃声，然后自动点击开门（~~研发说难搞，~~先不做）

分析门铃电路

好，让我们把门铃拆开，看看它里面的电路长什么样。我们先看正面，从上到下，从左往右分析

首先可以看到一个蓝色的东西，它是一个开关，当听筒挂上去的时候会把这个开关按下去，就像图中那团纸做的一样
然后是一颗二级管（被那团纸挡住了），不知道是干啥用的
接着是一个 4pin 插座，引出来的线接到了听筒上
最右上角是一个铁片和铁棒，这就是开门按钮，按下去就会让铁片和铁棒接触（真简陋啊）
中间下方是一个 5pin 插座，从墙里出来的线就接在了这个插座上

正面没有电路，我们把电路板拆下来看看背面：

可以看到左边凸出来那坨就是解锁按钮，把眼睛瞪大，发现当解锁按钮按下时，会将 5pin 插座中的红线和蓝线短接在一起

就这么简单，我们只需要让 IoT 设备替这个按钮把红线和蓝线短接在一起就能实现解锁单元门了。

设计电路

既然我们只需要简单将两条线短接，那可以随便找颗光耦充当开关，不过得保证红线和蓝线的电位差总是正的或总是负的，因为光耦约等于一个发光二级管加一个光电二级管，发光二级管照射光电二级管使之导通，既然是二级管，那意味着不能反向导通（按小学二年级的说法）。

所以我用万用表确认了一下红线和蓝线的电位，确定红线电位比蓝线高，而且是固定的 12V，然后我直接去淘宝上随便买了点 PC817C 光耦，根据数据手册，它的 V_CEO最大耐压 80V，没有问题。

电路也没啥好设计的，光耦 1 号引脚接 ESP32 的 GPIO 口，2 号引脚接 ESP32 的地，3 号引脚接红线，4 号引脚接蓝线，再接两颗限流电阻。

当我按照这个原理图接上后，发现并没有像预期的那样解锁，经测量发现在光耦导通时，V_EXT 和 GND_EXT 间电位差还有几伏，根本达不到短接红线和蓝线的效果。既然如此，那我直接把限流电阻删了（好孩子别学我这样不经计算就乱搞），发现还是不行，然后我就粗暴地多并联了一颗光耦上去（我嘞个去），发现能解锁了。

至于 ESP32 的供电嘛……直接拉了根线给开发版提供 5V 输入，我太菜了不会做低功耗的电源板 :P

编写 ESPHome 配置

弄完了硬件来弄软件，咱也没搞过什么正经的嵌入式开发，怎么快怎么来，直接拿 ESPHome 来实现我们想要的功能，也方便接入 Home Assistant。

19 collapsed lines
esphome:
  name: menshen

esp32:
  board: esp32doit-devkit-v1

ota:

mdns:
  disabled: true

logger:
  level: INFO

wifi:
  ssid: !secret wifi_ssid
  password: !secret wifi_password
  fast_connect: true

# 通过 MQTT 与 Home Assistant 通信
mqtt:
  broker: 10.0.0.10
  discovery: true
  username: homeassistant
  password: !secret mqtt_password
  keepalive: 30s

# 设置 GPIO 输出
output:
  # GPIO22 连接原理图中的 V_CTRL
  - platform: gpio
    pin:
      number: GPIO22
      mode: OUTPUT
    id: gpio_door_unlock_1
  # GPIO19 连接原理图中的 V_CTRL2
  - platform: gpio
    pin:
      number: GPIO19
      mode: OUTPUT
    id: gpio_door_unlock_2

# 定义一个按钮实体，Home Assistant 下令按下此按钮时，
# 会将 GPIO19 和 GPIO22 设为高电平，使光耦导通，
# 等待一秒后设为低电平，关断光耦。
button:
  - platform: template
    name: "Door unlock button"
    on_press:
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_1
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_2
      - delay: 1s
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_1
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_2

OK，我们将程序刷入 ESP32，刷写过程不是重点，此处略，将线连接好，上电！

现在我就可以在 Home Assistant 上按下解锁按钮了，回家按门铃，然后手机上点一下解锁，单元门就开了～

门神 v2.0

虽然门神 v1.0 实现了我出门不想带卡的需求，但是解锁单元门还是比较复杂的，如果手上拿着一堆东西，按完门铃还要把手机掏出来也挺操蛋的。

开脑洞环节：

既然按完门铃要在一定时间内在手机上点击解锁，那可以写一个自动化，开启自动化后每 5 秒按一下解锁按钮，连续按个几分钟。
在人进入地理围栏后，自动运行上面的自动化，可以不掏手机。
或者想办法监听门铃声，有人按门铃时就自动按解锁按钮。

1 和 2 都不是很好，因为按下解锁按钮时门铃会发出“嘟”的一声，连续响个几分钟还是挺吵的，但由于不能在楼下按门铃时都解锁，把听筒摘掉让门铃不要响也不合适。

所以得想办法检测楼下按门铃。我最初的想法是给 ESP32 加一个麦克风，检测是否有声音。但这不好，我在旁边叫一声、关门嘭的一声它也会认为有人按了门铃。那我们还可以从门铃的铃声信号线入手，这条信号线一定是模拟信号，我们已经看过电路板了，这上面一点数字芯片都没有。那我们要怎么从信号线上检测铃声呢？我想过使用某某芯片将模拟信号转为数字信号，不需要编码成什么音频格式，只需要检测出信号线当前电平高低即可，然后在电平变化时认为检测到了铃声。不过这样又引入了某某芯片，还得上网买，买回来也不知道能不能行，因为我不知道铃声信号线上模拟信号的电压区间，没有示波器来验证。没想出什么好办法，就一直搁置了许久。

后来我突然想到，不是不知道模拟信号电压区间吗，那我直接拿两颗电阻分压个 5% 出来，然后拿 ESP32 的 ADC 去读分压电阻上的电压不就不怕烧芯片了嘛。而且门铃铃声也挺长的，在这快两秒的时间内读到一个高电平的概率还是挺高的。说干就干。

分析门铃电路

接下来我们把门铃再次拆开分析电路，这次得找出哪条线是铃声信号线。

注意一个细节：听筒挂上时，门铃声会非常大，隔着卧室门都能听见的那种；而拿起听筒时，只有听筒里传出声音，正常打电话的那种音量。但在电路板上我们没法找到扬声器，最后发现大声的门铃声也是从听筒里发出的。所以我猜测有这几种可能：

电路板上设计了什么拿起听筒时减小电压的电路
楼下送上来的铃声信号线不止一条，一条是拿起听筒时的小声信号，一条是挂上听筒时的大声门铃
信号的正半周幅值很大，能让听筒大声发出铃声，同时信号的负半周很小，拿起听筒时使用二级管去掉正半周的信号，只留下负半周小声的信号。

接着我们从听筒开关入手，也就是正面那个蓝色的开关，首先得弄明白它的开关逻辑，直接用万用表的通断档去测量各个引脚的通断，最后测出下图所示的逻辑：

听筒挂上时，红线接通
拿起听筒时，黄线接通

可以得出结论，这是一个双刀双掷开关。既然是双刀，那合理推测，其中一路是控制听筒的，另一路是控制话筒的。再仔细看看电路板，会发现右边中间的这个引脚是悬空的，由此推断右边这路是控制话筒的，拿起听筒时才接通话筒，挂上听筒时回路断开，保证家里的声音不会传给楼下。同时电路板丝印也能佐证这个猜想，A 代表 Amplifier 扬声器，M 代表 Mic 麦克风。看下图，话筒信号从黄线进入开关，再从橙线进入话筒，最后从红线回到墙壁线路里。

接下来关注左边这一路，我们只看挂上听筒时的回路，挂上听筒时，门铃声从紫色进入，经过开关由蓝色进入扬声器，最后经黑色回到墙壁线路里。

最后，图中蓝色线和黑色线之间还连接着一个二级管，判断为保护二级管，防止紫色、黑色间电压过高烧坏听筒。

这下可以确认铃声信号来自紫色线路了，接下来就开始设计电路吧。

设计电路

我们保留 v1.0 的光耦电路，新增一个电压检测电路。

由于 ESP32 的 ADC 最大支持电压为 3.3V，由于不知道铃声信号最大电压能达到多少，先选用 1MΩ 和 22Ω 两颗电阻进行分压，用 ESP32 读 22Ω 电阻上的电压，那么理论上读到的电压应该是铃声信号的 0.002%，有点保守了 hhh。

然后我们编写 ESPHome 配置，将检测到的电压实时打印出来


27 collapsed lines
1
esphome:
2
  name: menshen
3

4
esp32:
5
  board: esp32doit-devkit-v1
6

7
ota:
8

9
mdns:
10
  disabled: true
11

12
logger:
13
  level: INFO
14

15
wifi:
16
  ssid: !secret wifi_ssid
17
  password: !secret wifi_password
18
  fast_connect: true
19

20
# 通过 MQTT 与 Home Assistant 通信
21
mqtt:
22
  broker: 10.0.0.10
23
  discovery: true
24
  username: homeassistant
25
  password: !secret mqtt_password
26
  keepalive: 30s
27

28
# 定义一个 ADC 输入，使用 GPIO39 引脚，每 10ms 采样一次电压
29
sensor:
30
  - platform: adc
31
    pin: GPIO39
32
    name: "bell input"
33
    id: bell_input
34
    attenuation: auto
35
    update_interval: 10ms
36
    # 在 ESPHome 内部使用，不暴露给 Home Assistant
37
    internal: true
38
    # 当采样到电压时，打印出来
39
    on_value:
40
      then:
41
        - logger.log:
42
            level: INFO
43
            format: "%.1f"
44
            args:
45
              - !lambda "x"
28 collapsed lines
46

47
# 设置 GPIO 输出
48
output:
49
  # GPIO22 连接原理图中的 V_CTRL
50
  - platform: gpio
51
    pin:
52
      number: GPIO22
53
      mode: OUTPUT
54
    id: gpio_door_unlock_1
55
  # GPIO19 连接原理图中的 V_CTRL2
56
  - platform: gpio
57
    pin:
58
      number: GPIO19
59
      mode: OUTPUT
60
    id: gpio_door_unlock_2
61

62
# 定义一个按钮实体，Home Assistant 下令按下此按钮时，
63
# 会将 GPIO19 和 GPIO22 设为高电平，使光耦导通，
64
# 等待一秒后设为低电平，关断光耦。
65
button:
66
  - platform: template
67
    name: "Door unlock button"
68
    on_press:
69
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_1
70
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_2
71
      - delay: 1s
72
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_1
73
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_2

惊奇地发现，采样到的电压居然也超过了 2V，我估计是没有共地导致的。不过已经能识别出门铃是否在响了，就先不管这些细节了。直接把电路板焊好，开始写 ESPHome 配置。

编写 ESPHome 配置

刚刚我们采样到了铃声信号的电压，但没有将这个信息暴露给 Home Assistant，还需要定义一个二元传感器：


27 collapsed lines
1
esphome:
2
  name: menshen
3

4
esp32:
5
  board: esp32doit-devkit-v1
6

7
ota:
8

9
mdns:
10
  disabled: true
11

12
logger:
13
  level: INFO
14

15
wifi:
16
  ssid: !secret wifi_ssid
17
  password: !secret wifi_password
18
  fast_connect: true
19

20
# 通过 MQTT 与 Home Assistant 通信
21
mqtt:
22
  broker: 10.0.0.10
23
  discovery: true
24
  username: homeassistant
25
  password: !secret mqtt_password
26
  keepalive: 30s
27

28
# 定义一个 ADC 输入，使用 GPIO39 引脚，每 10ms 采样一次电压
29
sensor:
30
  - platform: adc
31
    pin: GPIO39
32
    name: "bell input"
33
    id: bell_input
34
    attenuation: auto
35
    update_interval: 10ms
36
    # 在 ESPHome 内部使用，不暴露给 Home Assistant
37
    internal: true
38
    # 给采样到的数据添加一个滤镜：求窗口区间内的最大值
39
    filters:
40
      - max:
41
          # 窗口大小为 40 个样本，也就是 400ms 的时间
42
          window_size: 40
43
          # 每采样到 20 个样本时更新该传感器的值
44
          send_every: 20
45
          # 程序启动，采样 3 次后立即更新一次该传感器的值
46
          send_first_at: 3
47

48
# 定义一个二元传感器，当 ADC 采样到电压超过 0.3V 时该传感器值为 true，
49
# 否则为 false。这个传感器会暴露给 Home Assistant
50
binary_sensor:
51
  - platform: template
52
    name: "Door bell ringing"
53
    lambda: |-
54
      if (id(bell_input).state > 0.3) {
55
        return true;
56
      } else {
57
        return false;
58
      }
59

27 collapsed lines
60
# 设置 GPIO 输出
61
output:
62
  # GPIO22 连接原理图中的 V_CTRL
63
  - platform: gpio
64
    pin:
65
      number: GPIO22
66
      mode: OUTPUT
67
    id: gpio_door_unlock_1
68
  # GPIO19 连接原理图中的 V_CTRL2
69
  - platform: gpio
70
    pin:
71
      number: GPIO19
72
      mode: OUTPUT
73
    id: gpio_door_unlock_2
74

75
# 定义一个按钮实体，Home Assistant 下令按下此按钮时，
76
# 会将 GPIO19 和 GPIO22 设为高电平，使光耦导通，
77
# 等待一秒后设为低电平，关断光耦。
78
button:
79
  - platform: template
80
    name: "Door unlock button"
81
    on_press:
82
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_1
83
      - output.turn_on: gpio_door_unlock_2
84
      - delay: 1s
85
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_1
86
      - output.turn_off: gpio_door_unlock_2

既然已经能检测门铃是否在响了，那就做绝一点，尽可能在门铃响后最短的时间内把单元门解锁了。为了减少从楼下门铃允许解锁到按下解锁按钮的延迟，先来测试一下解锁按钮能支持多高的点击频率，修改 ESPHome 开门按钮的行为，在 Home Assistant 发出一次按下按钮的指令后，ESPHome 会导通光耦 50ms，然后关断光耦 50ms，如此重复 10 次：

button:
  - platform: template
    name: "Door unlock button"
    on_press:
      - repeat:
          # 重复 10 次
          count: 10
          then:
            - output.turn_on: gpio_door_unlock_1
            - output.turn_on: gpio_door_unlock_2
            - delay: 50ms
            - output.turn_off: gpio_door_unlock_1
            - output.turn_off: gpio_door_unlock_2
            - delay: 50ms

将程序刷入 ESP32，去 Home Assistant 中发出解锁指令，门铃中传出了快速的 10 下解锁声！那看来这个频率好使，期望延迟为 50ms。为了提高解锁成功率，我们把重复次数调为 50 次，大致持续 5 秒。

配置 Home Assistant 自动化

首先配置自动化的触发条件，刚刚新增的二元传感器，当它变为已触发时，执行自动化。

然后配置执行的动作，首先向 ESP32 发出解锁指令，然后等待 8 秒，因为按下解锁按钮时门铃也会响，需要防止解锁声触发新的解锁动作。

同时需要设置自动化执行模式为单点，在上一次解锁未完成的情况下不响应新的铃声，也是为了防止解锁声触发新的解锁动作。

经测试，在楼下按门铃后 1 秒才允许解锁，而从按门铃到发出解锁指令延迟大约只有 500ms，基本达到了最佳解锁速度，在楼下按门铃，手移动到门把时正好能够解锁。

后续优化

虽然门神 v2.0 已经让我很满意了，但还是有一些小缺陷待修复。

首先是安全风险，现在无论任何人在任何时间按门铃，都会解锁单元门。这可以通过联动 Home Assistant 的地理围栏进行优化，在人员进入围栏后的一段时间内才允许自动解锁。

其次是电路的共地问题，现在门铃的地和 ESPHome 的地没有连接在一起，可能会有一些问题。