動態(tài)電子密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

一、引言

隨著科技的快速革新和人們生活水平的顯著提高，科技越來越廣泛地應(yīng)用在安全防范方面。為保障財產(chǎn)安全，便捷有效的動態(tài)密碼開始進(jìn)入人們的視野，諸如支付寶、QQ安全中心、將軍令等APP均有相似的應(yīng)用[1]。

基于此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的動態(tài)電子密碼鎖。用戶在使用過程中需輸入兩組密碼：一組為預(yù)設(shè)的靜態(tài)密碼，另一組為通過移動鑰匙端或手機(jī)端獲取的動態(tài)密碼。一旦輸入錯誤三次，鎖頭將被鎖死，同時約定手機(jī)將接收到電話警示，極大提升了財產(chǎn)安全性。（1）相較于傳統(tǒng)鑰匙，此設(shè)計讓用戶擁有更高的控制權(quán)，避免鑰匙的丟失與盜用。（2）在保障傳統(tǒng)電子密碼鎖基本功能前提下，實時顯示萬年歷功能[2-3]，給用戶更人性化的視覺體驗。（3）實時檢測并顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度[4-5]，方便有特殊儲存環(huán)境物品要求的用戶。（4）在輸入靜態(tài)密碼開鎖的基礎(chǔ)上，加入了動態(tài)密碼的輸入檢測環(huán)節(jié)，對財產(chǎn)保障更安全。（5）加入GSM模塊，在有人嘗試解鎖失敗后，會自動撥打電話給約定主人的手機(jī)，播報相應(yīng)警示語音，安全實時保障。總體來說，該動態(tài)電子密碼鎖實用性更強(qiáng)，安全性能更高，具有較好的市場推廣價值。

二、系統(tǒng)設(shè)計

（一）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計動態(tài)密碼鎖的系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括單片機(jī)主控制器、空氣溫濕度傳感器、2.4G無線傳輸、GSM通信模塊、電子密碼鎖組成的終端和從機(jī)移動鑰匙。用戶通過輸入預(yù)設(shè)靜態(tài)密碼，再輸入在移動鑰匙上得到動態(tài)密碼，兩次輸入均正確后驅(qū)動繼電器開啟電磁鎖；若輸入錯誤三次，系統(tǒng)將撥打電話給約定手機(jī)警示。

該密碼鎖總體結(jié)構(gòu)主要由電子密碼鎖主機(jī)部分（圖1）和負(fù)責(zé)接收動態(tài)密碼的移動鑰匙（圖2）兩部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)從機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（二）硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件主要由密碼鎖鎖體部分（圖3）和無線鑰匙（圖4）兩部分構(gòu)成[6-7]。由于主機(jī)程序較大，普通8051系列單片機(jī)不能滿足設(shè)計要求[8]，本文選用STC12C5A60S2作為主機(jī)的主控芯片，該芯片目前售價與傳統(tǒng)51單片機(jī)接近，市場供應(yīng)充足，且支持串口程序燒寫和加密，具有性價比高、方便實用的特點(diǎn)。

從機(jī)無線鑰匙的設(shè)計要求是輕便實用，因此，顯示方面選用了內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單外觀小巧的0.96寸OLED屏，主控芯片方面選擇了滿足設(shè)計要求的STC15W408AS單片機(jī)。

圖3 密碼鎖鎖體原理圖

圖4 無線鑰匙原理圖

（三）軟件設(shè)計

1.系統(tǒng)主機(jī)程序設(shè)計

根據(jù)STC12C5A60S2主機(jī)硬件設(shè)計要求，控制主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)上電進(jìn)行程序初始化操作，對2.4G無線模塊，GSM通信模塊等外圍器件進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化；初始化完成后，12864顯示屏顯示溫濕度和密碼鎖模式選擇，輸入正確靜態(tài)密碼后,主機(jī)CPU產(chǎn)生動態(tài)密碼通過2.4G無線模塊發(fā)送給從機(jī)移動鑰匙，當(dāng)密碼輸入錯誤三次，GSM模塊撥打電話警示用戶。

圖5 系統(tǒng)主機(jī)程序流程圖

2.系統(tǒng)從機(jī)程序設(shè)計

根據(jù)從機(jī)移動鑰匙硬件設(shè)計要求，控制從機(jī)程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，單片機(jī)上電進(jìn)行程序的初始化操作，對DS1302時鐘芯片、2.4G無線模塊和OLED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化；初始化完成后，啟動這些模塊，顯示時間并等待接收主機(jī)發(fā)送的動態(tài)密碼。

圖6 系統(tǒng)從機(jī)程序流程圖

三、系統(tǒng)調(diào)試

動態(tài)密碼鎖鎖體和無線鑰匙的實物分別如圖7和圖8所示。按下電源開關(guān)后，各模塊初始化完成后，主機(jī)開始工作。如圖9所示，默認(rèn)模式可觀測到環(huán)境溫濕度值，按“A”鍵進(jìn)入“輸入密碼”模式，按“B”鍵進(jìn)入“修改密碼”模式。

圖7 動態(tài)密碼鎖鎖體實物圖

圖8 動態(tài)密碼鎖無線鑰匙實物圖

圖9 默認(rèn)模式狀態(tài)

如圖10所示，在按下“B”鍵進(jìn)入修改密碼模式后，將有語音指示操作“請輸入原始密碼”。用戶需要通過4×4鍵盤連續(xù)輸入兩次正確新靜態(tài)密碼，才能修改靜態(tài)密碼。

圖10 修改靜態(tài)密碼模式

如圖11所示，在按“A”鍵進(jìn)入輸入密碼模式后，將有語音指示操作“請輸入靜態(tài)密碼”。用戶需要通過4×4鍵盤輸入靜態(tài)密碼。密碼輸入將用“*”顯示以增強(qiáng)安全性。按“#”鍵可以退格。

圖11 輸入靜態(tài)密碼

如圖12所示，當(dāng)輸入正確的靜態(tài)密碼后，將有語音指示操作“請輸入動態(tài)密碼”。

如圖13所示，此時用戶需要查看移動鑰匙的OLED屏幕，OLED屏幕使用5V電池作電源。DS1302時鐘芯片獲取實時時間在OLED屏顯示出來。在用戶輸入正確的靜態(tài)密碼后，移動鑰匙將接收到主機(jī)發(fā)送的六位動態(tài)密碼，在OLED屏顯示出來。用戶需要通過4×4鍵盤輸入動態(tài)密碼。密碼輸入將用“*”顯示以增強(qiáng)安全性。按“#”鍵可以退格。

圖12 輸入動態(tài)密碼

圖13 無線鑰匙顯示動態(tài)密碼

如圖14所示，當(dāng)輸入正確的動態(tài)密碼后，動態(tài)密碼鎖將通過繼電器驅(qū)動電磁鎖開啟。

圖14 開鎖成功

如圖15所示，若密碼輸入失敗三次，密碼鎖鍵盤將不能操作，鎖體自動鎖死2分鐘。同時GSM模塊將撥打電話給約定手機(jī)，播放“請注意，密碼輸入錯誤三次”的語音。

圖15 密碼錯誤示警的手機(jī)

如圖16所示，為防止忘記靜態(tài)密碼后無法操作。系統(tǒng)內(nèi)置一個“恢復(fù)出廠密碼”按鍵，當(dāng)投入實際生產(chǎn)時，此按鍵應(yīng)放置在只有用戶知道的隱蔽處。按下后可以恢復(fù)出廠密碼“123456”。

圖16 密碼恢復(fù)出廠

四、總結(jié)

該動態(tài)密碼鎖系統(tǒng)由S T C 12 C 5 A 60S 2和STC15W408AS單片機(jī)作為主從CPU，密碼鎖具有修改密碼、恢復(fù)出廠密碼的基本功能。

主機(jī)通過DTH11溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫濕度，并用12864顯示屏顯示。每一步操作都會有語音指示。通過4×4矩陣鍵盤輸入正確靜態(tài)密碼后，主機(jī)通過2.4G無線模塊傳輸六位動態(tài)密碼給從機(jī)。輸入正確的動態(tài)密碼后，主機(jī)通過繼電器驅(qū)動電磁鎖鎖頭收縮。若密碼輸入錯誤三次，鎖體將鎖死兩分鐘，同時通過GSM模塊的AT指令，撥打電話給指定手機(jī)，警示“請注意密碼輸入錯誤三次”。

從機(jī)使用STC15W408AS單片機(jī)，通過2.4G無線模塊接收動態(tài)密碼，DS1302時鐘芯片獲取時間，在0.96寸的OLED顯示屏顯示時間以及動態(tài)密碼。作為移動鑰匙，小巧輕便，便于攜帶。

本設(shè)計融合了傳感器、2.4G、GSM、單片機(jī)以及通信技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)密碼鎖的研究和開發(fā)，具有更人性化和更強(qiáng)實用性的動態(tài)密碼鎖系統(tǒng)，擁有較好的市場推廣價值。

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