基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能門鎖設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

徐富強(qiáng)+盧聞州+熊化亮+孫英倫+楊歡+屈笑

摘 要：新型智能門鎖集藍(lán)牙、密碼于一體，實(shí)現(xiàn)了通過智能手機(jī)控制智能門鎖的同時還可以通過密碼實(shí)現(xiàn)開鎖的功能。此外，智能門鎖還添加了短信通知模塊和報警裝置，用于提高智能門鎖的設(shè)計。文中介紹了新型智能門鎖的設(shè)計思路，部分硬件電路的設(shè)計，并對軟件功能設(shè)計和流程設(shè)計進(jìn)行介紹。經(jīng)實(shí)踐證明，該智能門鎖安全可靠，成本較低。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙HC-06模塊；密碼；SIM900A模塊；智能手機(jī)

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-04

0 引 言

隨著社會、科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們的安全防盜意識在逐漸增強(qiáng)，對日常生活中的安全保險器件的要求越來越高，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造簡單，安全性能低，已經(jīng)無法滿足人們對智能家居的需求。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，智能鎖具在市場中銷售較多，但銷量不大，中國的智能鎖具市場目前還處于初級階段[1]。因此，文中設(shè)計了一款基于藍(lán)牙4.0技術(shù)[2]的新型智能門鎖，并結(jié)合密碼鎖模塊及GSM移動通信模塊，大大提高了門鎖的安全性、可靠性以及便捷性，同時在很大程度上降低了門鎖的經(jīng)濟(jì)成本，滿足了人們對于智能門鎖的要求。

1 設(shè)計原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能門鎖以STC89C52單片機(jī)為控制核心，軟硬件相結(jié)合。該智能門鎖主要由單片機(jī)控制電路、藍(lán)牙HC-06模塊電路、SIM900A模塊電路以及密碼輸入電路以及電磁鎖5部分組成，組成原理如圖1所示。通過藍(lán)牙HC-06模塊或密碼輸入模塊進(jìn)行信息采集，將采集到的信息發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行信息處理后，改變電磁鎖接口電路電平，實(shí)現(xiàn)門鎖開關(guān)。電磁鎖打開的同時，SIM900A模塊的接口電路變?yōu)榈碗娖剑琒IM900A模塊向用戶手機(jī)發(fā)送短信，提醒用戶門鎖已打開。

2 硬件組成及工作原理

2.1 藍(lán)牙解鎖模塊

本設(shè)計采用高性能無線收發(fā)系統(tǒng)HC-06藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)對手機(jī)發(fā)送信息的采集。解鎖電路如圖2所示。藍(lán)牙解鎖模塊電路主要由單片機(jī)控制電路、電磁繼電器電路、藍(lán)牙HC-06模塊及其外圍電路組成。HC-06作為主通信端，與用戶手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行一對一連接。

通過操作手機(jī)App實(shí)現(xiàn)對手機(jī)藍(lán)牙的控制，將信息傳送給HC-06模塊。HC-06將采集的信息通過TXD引腳輸出，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的P3.0口[3]。單片機(jī)讀取信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 密碼解鎖模塊

密碼解鎖電路用于實(shí)現(xiàn)設(shè)置、修改用戶密碼、超次報警、超次鎖定、密碼錯誤報警等功能。本設(shè)計由單片機(jī)、4×4矩陣鍵盤、LCD1602顯示器和報警電路組成[4]，采用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字路基電路作為密碼鎖的控制核心。密碼鎖模塊電路如圖3所示。在使用過程中，用戶通過矩陣鍵盤輸入密碼后，單片機(jī)會將用戶輸入的密碼與其事先保存的密碼進(jìn)行比對，若一致，則密碼正確，單片機(jī)的控制引腳輸出低電平，繼電器吸合，門鎖打開；若不一致，則控制引腳輸出高電平，報警電路工作，蜂鳴器發(fā)出報警聲[5]。若用戶在輸入密碼的過程中按下干擾鍵，則鍵盤電路會自動清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入密碼。如果用戶輸入密碼超過一定時間，電路將報警。若電路連續(xù)報警3次，鍵盤將會鎖定2分鐘，以防止其他人非法操作[6]。

2.3 SIM900A模塊

SIM900A模塊電路用于實(shí)現(xiàn)門鎖打開時向用戶手機(jī)發(fā)送信息提示，即門鎖已打開，用于提高智能門鎖的安全性，其電路如圖4所示。本設(shè)計采用具有語音通話和短信發(fā)送功能的全球鷹SIM900A模塊，支持移動和聯(lián)通SIM卡，其采用省電設(shè)計，睡眠模式下最低耗流只有1 mA。將SIM卡放入卡槽，接GSM天線。通過觀察SIM900A模塊上兩個指示燈D5和D6的工作狀態(tài)來大致判斷模塊的工作狀態(tài)。當(dāng)D5長亮，D6亮1 s滅3 s則表明SIM900A 模塊進(jìn)入正常模式。此時，若門鎖上的單片機(jī)讀取到藍(lán)牙HC-06模塊傳輸?shù)男畔⒒蛎艽a解鎖部分輸入的信息，則單片機(jī)進(jìn)行信息處理，使電磁鎖接口電路輸出引腳變?yōu)榈碗娖剑^電器閉合，門鎖打開，同時單片機(jī)開始發(fā)送指令到SIM900A模塊，然后SIM900A模塊會發(fā)送短信到事先設(shè)置的用戶智能手機(jī)上。

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

由于STC89C51、藍(lán)牙4.0 繼電器、短信發(fā)送模塊、液晶顯示屏的工作電壓都為5 V，因此可借助USB數(shù)據(jù)線將電壓轉(zhuǎn)換為5 V的工作電壓為智能鎖系統(tǒng)供電。

2.5 液晶顯示器

本設(shè)計采用LCD1602A液晶顯示器，用以顯示用戶輸入的密碼是否正確及顯示行密碼設(shè)置、修改等。該顯示器能夠同時顯示16×02，即32個字符。

2.6 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)主控電路由STC89C51芯片、復(fù)位電路、時鐘電路等組成，用于實(shí)現(xiàn)對信息的采集和處理，完成對電磁繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)，并控制GSM模塊進(jìn)行短信發(fā)送[7]。時鐘電路采用11.059 2 MHz的無源晶體振蕩器，并在其兩端并聯(lián)兩個30 pF的瓷片電容來穩(wěn)定頻率和快速起振[8]。復(fù)位電路采用按鍵手動復(fù)位，通過RST引腳與電源VCC接通實(shí)現(xiàn)[9]。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5所示為系統(tǒng)主程序流程圖。首先進(jìn)行各模塊的初始化，然后選擇方式1或方式2進(jìn)行開鎖，其中方式1為藍(lán)牙開鎖，方式2為密碼開鎖。門鎖開時，SIM900A模塊會發(fā)送短信到用戶手機(jī)上，提醒用戶門鎖已打開。

4 手機(jī)App設(shè)計

本藍(lán)牙通信開關(guān)系統(tǒng)是建立在安卓開發(fā)環(huán)境上的利用藍(lán)牙通信技術(shù)控制設(shè)備開關(guān)（即智能鎖的開關(guān)）的系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)通過藍(lán)牙連接硬件設(shè)備，主要包括用戶登錄模塊和設(shè)備管理模塊。用戶登錄模塊完成用戶登錄注冊及核對功能，設(shè)備管理模塊包括手機(jī)藍(lán)牙及相關(guān)藍(lán)牙設(shè)備的連接、控制和監(jiān)測功能。系統(tǒng)的最終目的是完成一個界面簡潔，操作簡單，具有交互控制功能的手機(jī)App軟件。其中軟件運(yùn)行環(huán)境包括最新版本Android集成開發(fā)環(huán)境（版本22.6.0以上）；Eclipse Indigo（版本 3.7.2）；Windows 7/8；具有藍(lán)牙功能，Android 4.3或以上版本的Android設(shè)備。endprint

4.1 軟件流程及功能

4.1.1 設(shè)備連接及管理模塊功能

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，先打開手機(jī)藍(lán)牙再進(jìn)行設(shè)備連接。成功連接設(shè)備后，可與設(shè)備進(jìn)行對話管理。

4.1.2 掃描功能

用戶要連接設(shè)備時，先要掃描找到設(shè)備，將掃描到的設(shè)備一一配對，若成功則加入已配對設(shè)備列表。找到設(shè)備時，將設(shè)備MAC地址傳到藍(lán)牙聊天主進(jìn)程，用以連接一個設(shè)備。

4.1.3 監(jiān)聽功能

當(dāng)設(shè)備未連接時，要開啟一個服務(wù)進(jìn)程，建立、啟動一個請求連接的監(jiān)聽進(jìn)程，設(shè)置為等待設(shè)備的連接狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程啟動后直到有設(shè)備連接時，都會監(jiān)聽和接收連接請求，若連接無效則關(guān)閉，若連接有效則進(jìn)入連接進(jìn)程，進(jìn)入連接進(jìn)程之后會取消當(dāng)前的監(jiān)聽進(jìn)程。

4.1.4 連接功能

進(jìn)入連接進(jìn)程后，UI界面狀態(tài)更改為正在連接的狀態(tài)。取消藍(lán)牙的可見狀態(tài)，然后進(jìn)行連接操作，如果出現(xiàn)異常則表示鏈接失敗，通知UI更新界面，顯示鏈接失敗狀態(tài)，然后關(guān)閉BluetoothSocket，重新開啟一個監(jiān)聽服務(wù)。如果連接成功則進(jìn)入連接管理進(jìn)程。

4.1.5 連接管理功能

成功連接設(shè)備后，UI界面狀態(tài)變?yōu)橐堰B接，連接之后就可以對設(shè)備進(jìn)行管理。連接管理進(jìn)程需要通過其輸入（出）流來操作具體信息，進(jìn)程會一直從輸入流中讀取信息。同時需要實(shí)行寫操作，將要發(fā)送的消息寫入輸出流再發(fā)送到UI進(jìn)程中，進(jìn)行同步更新，若讀取消息失敗或產(chǎn)生異常，則表示連接丟失，通知UI進(jìn)程更新。

4.2 軟件使用詳解

4.2.1 用戶登錄模塊

用戶登錄模塊包括用戶登錄和注冊。新用戶首次進(jìn)入系統(tǒng)時，需要先注冊一個賬號。若用戶已有賬號則可直接登錄系統(tǒng)，用戶登錄系統(tǒng)時系統(tǒng)會自動驗(yàn)證賬號，查看密碼是否正確，若正確，則用戶進(jìn)入系統(tǒng)，否則無法進(jìn)入。App主程序圖如圖6所示。

4.2.2 設(shè)備管理模塊

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，首先會提示用戶打開手機(jī)藍(lán)牙，界面如圖7（a）所示；若不打開則會直接退出系統(tǒng)。手機(jī)藍(lán)牙打開后進(jìn)入系統(tǒng)主界面，界面如圖7（b）所示；主界面上有三個按鈕，分別是連接設(shè)備，打開和關(guān)閉按鈕。點(diǎn)擊連接設(shè)備按鈕，系統(tǒng)會自動搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備，界面如圖7（c）所示。整體布局由一個線性布局LinearLayout組成，其中包含兩個textview，來顯示已經(jīng)配對的設(shè)備和其它可用設(shè)備（還沒有經(jīng)過配對），兩個ListView分別用于顯示已經(jīng)配對和沒有配對設(shè)備的相關(guān)信息。按鈕則用于執(zhí)行掃描過程。找到相關(guān)的藍(lán)牙設(shè)備，連接好便可以利用主界面上的打開關(guān)閉按鈕對相關(guān)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行管理，即控制鎖的開關(guān)。主界面右上角有相關(guān)藍(lán)牙設(shè)備的連接狀態(tài)顯示，若顯示未連接，則不能對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理。

5 系統(tǒng)的安全性設(shè)計

為提高新型智能門鎖的安全性，通過多層保障來保證門鎖的安全。首先應(yīng)關(guān)注藍(lán)牙解鎖部分。由于手機(jī)App不是公開的，只有主人手機(jī)上才有，故門鎖上的藍(lán)牙模塊同一時刻只能連接一臺設(shè)備，并且只有藍(lán)牙配對成功后才能夠連接鎖端并開鎖，而其他無限設(shè)備無法連接。密碼解鎖部分利用矩陣鍵盤，通過添加干擾鍵的方式增強(qiáng)密碼的安全性，并在密碼解鎖部分添加了報警電路，若有非法操作發(fā)生時，智能門鎖會發(fā)出報警聲。在智能門鎖上添加短信發(fā)送模塊，每次門鎖打開后，智能門鎖中的短信模塊將會發(fā)送一條信息到主人的手機(jī)上，用于提示主人家里門鎖被打開。主人可以判斷是否為家人操作，如不是可立即報警，以提高家居生活的安全性。

6 結(jié) 語

該設(shè)計以51單片機(jī)、藍(lán)牙HC-06模塊以及SIM900A模塊為核心，并擴(kuò)展繼電器電路用于實(shí)現(xiàn)電磁鎖的打開、閉合，無需機(jī)械鑰匙通過智能手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)。同時，在手機(jī)沒電的情況下還可進(jìn)行密碼解鎖。門鎖中的短信發(fā)送模塊大大提高了智能門鎖的安全性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、成本很低，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，適用于家庭住宅、辦公室保險箱等需要防盜的場所。隨著移動電子科技的發(fā)展，這種成本低、安全性高、使用簡單方便的智能門鎖將走進(jìn)千家萬戶。

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