基于智能手機(jī)的無(wú)線電子密碼鎖的設(shè)計(jì)

閆昊陽(yáng)++楊森

摘 要針對(duì)目前電子密碼鎖安全性低和易用性差的問(wèn)題，本文基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)了一款無(wú)線電子密碼鎖。系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)C語(yǔ)言編寫程序來(lái)驗(yàn)證用戶輸入的密碼是否與存儲(chǔ)芯片中的密碼一致，并做出繼電器通電及蜂鳴器報(bào)警等反饋。用戶可通過(guò)智能手機(jī)等無(wú)線藍(lán)牙遙控方式進(jìn)行解鎖加密等功能，為生活中的安全加密需求提供了良好的解決方案。

【關(guān)鍵詞】密碼鎖 智能手機(jī) STC89C51 藍(lán)牙遙控

引言作為論文的開端，應(yīng)以簡(jiǎn)短的篇幅介紹論文的寫作背景和目的，以及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)前人所做的工作和研究的概況，說(shuō)明本研究與前人工作的關(guān)系，目前研究的熱點(diǎn)、存在的問(wèn)題及作者工作的意義。引言不應(yīng)與摘要雷同也不應(yīng)是摘要的注釋。引言一般應(yīng)與結(jié)論相呼應(yīng)，在引言中提出的問(wèn)題，要在結(jié)論中應(yīng)有解答，但要絕對(duì)避免與結(jié)論雷同。不應(yīng)過(guò)多敘述同行熟知的及教科書中的常識(shí)性內(nèi)容，確有必要提及他人的研究成果和基本原理時(shí)，只需以參考引文的形式標(biāo)出即可。目前，電子密碼鎖的種類繁多、應(yīng)用廣泛，但其并不能完全取代傳統(tǒng)的機(jī)械鎖，究其原因主要是各類電子密碼鎖本身技術(shù)所限，不能完全滿足人們的需求。筆者對(duì)目前市場(chǎng)上的電子密碼鎖進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)：以單片機(jī)為主控模塊，采用藍(lán)牙或者紅外信號(hào)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行無(wú)線操控的電子密碼鎖，控制器多為無(wú)線遙控器，不同的密碼鎖需要匹配不同的遙控器，使用和攜帶很不方便；應(yīng)用數(shù)字鍵盤，通過(guò)手動(dòng)輸入密碼控制的電子密碼鎖，由于密碼鍵盤暴露在外，存在潛在的安全隱患，即不法之徒可以通過(guò)多此嘗試破解密碼；通過(guò)指紋識(shí)別的電子密碼鎖，由于指紋識(shí)別技術(shù)要求較高，因此成本過(guò)高，不容易普及；且不具便捷性。綜上所述，筆者對(duì)電子密碼鎖進(jìn)行好了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用智能手機(jī)作為無(wú)線遙控設(shè)備通過(guò)紅外線發(fā)射裝置輸入密碼遙控解鎖，這樣既能免去鑰匙、卡片需要攜帶的煩惱，又能省去外置的密碼輸入鍵盤，很好的解決了上述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)在低成本的基礎(chǔ)上保證了使用的安全性、便捷性。

1 無(wú)線電子密碼鎖的總體設(shè)計(jì)

基于智能手機(jī)的無(wú)線電子密碼鎖的硬件電路分為兩個(gè)主要功能模塊：主控模塊和無(wú)線通信模塊。

1.1 主控模塊設(shè)計(jì)

由于其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)根據(jù)功耗及成本的考慮，主控模塊選擇了STC89C51單片機(jī)，其基本功能如表1所示。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，使用Atmel 公司高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，因而STC89C51在嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 無(wú)線通信模塊

近幾年，隨著智能家居技術(shù)的發(fā)展，各種短距離無(wú)線通信技術(shù)成為了熱門的研究對(duì)象， 其中WiFi（Wireless Fidelity），ZigBee和Bluetooth是當(dāng)前連接智能家居產(chǎn)品的主要手段。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的簡(jiǎn)稱，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，但是由于傳輸速率低，且目前絕大部分智能手機(jī)中不配置該模塊，因此不適用于本設(shè)計(jì)。

WiFi是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)的技術(shù)，是IEEE 802.11協(xié)議的簡(jiǎn)稱，俗稱無(wú)線寬帶。WiFi支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音和多媒體的短程無(wú)線傳輸，傳輸速率可達(dá)54Mb/s，覆蓋范圍可達(dá)百米。但由于功耗和體積太大，而且節(jié)點(diǎn)數(shù)量太多，不符合密碼鎖的設(shè)計(jì)。

Bluetooth（藍(lán)牙協(xié)議），是一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙使用跳頻技術(shù)，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過(guò)79個(gè)指定的藍(lán)牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。每個(gè)頻道的頻寬為1 MHz。藍(lán)牙是基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的協(xié)議。采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。

因此經(jīng)過(guò)比較，由于藍(lán)牙無(wú)線通信更容易實(shí)現(xiàn)，更容易操作，體積小、便于集成，而且具有抗干擾性強(qiáng)、單一連接性的特點(diǎn)，符合密碼鎖的設(shè)計(jì)要求，因此本設(shè)計(jì)選擇HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制。HC-06是專為智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸而開發(fā)的一款藍(lán)牙模塊， 遵循藍(lán)牙V2.0 + EDR藍(lán)牙規(guī)范，傳輸距離>20米，最高傳輸速率達(dá)2.1M，支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，并支持UART接口，具有低成本、小體積、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用AT89C51芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)模塊功能，完成數(shù)碼管、發(fā)光二極管的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用HC06藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。其設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

其工作原理為：通過(guò)在51單片機(jī)開發(fā)板對(duì)AT89C52芯片寫入程序，建立單片機(jī)與藍(lán)牙模塊之間的串口通信，并通過(guò)手機(jī)輸入指令輸入到藍(lán)牙模塊之中，通過(guò)程序利用單片機(jī)串口將藍(lán)牙與51單片機(jī)進(jìn)行通信，并控制單片機(jī)的引腳，從而控制外圍電路的LED燈的亮滅和數(shù)碼管的功能實(shí)現(xiàn)。

主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）設(shè)計(jì)開鎖密碼為六位密碼的電子密碼鎖；

（2）實(shí)現(xiàn)輸入密碼錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò)限定的三次即將電子密碼鎖鎖定的功能；

（3）用戶可以自定義系統(tǒng)解鎖密碼，并且可以多次進(jìn)行修改；

（4）設(shè)計(jì)藍(lán)牙接收模塊，接收智能手機(jī)發(fā)送的藍(lán)牙信號(hào)并由單片機(jī)來(lái)處理；

（5）設(shè)計(jì)外接電磁繼電器模塊，控制鎖芯。

2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 復(fù)位及振蕩電路

單片機(jī)中的復(fù)位及振蕩電路如圖2所示。

復(fù)位電路由上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩部分組成。上電復(fù)位：在復(fù)位引腳 RST 上連接一個(gè)電容到 VCC，連接一個(gè)電阻到 GND， 進(jìn)而形成RC 充放電回路，保證在上電時(shí) RST 腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)而使單片機(jī)復(fù)位。按鍵復(fù)位：在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST被拉到高電平，由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平從而使單片機(jī)復(fù)位。endprint

MCS51的振蕩源使用11.0592MHz的晶體振蕩器。由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，因此外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)容量在15pF至50pF之間的電容即可。

2.2 密碼存儲(chǔ)模塊

由于需要保證系統(tǒng)正確密碼的可靠而且掉電不丟失，所以需要一塊外部存儲(chǔ)器來(lái)保存它，經(jīng)過(guò)分析后選用了AT24C02這一芯片來(lái)作為外部存儲(chǔ)裝置。通電后，它可以工作在電壓為2.5～5.5 V的環(huán)境下，每次最多只能寫入8位數(shù)據(jù)來(lái)保證效率提高速度，并且它有很強(qiáng)的抗干擾能力，以防由于電壓不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)丟失。AT24C02具有256×8位存儲(chǔ)空間，完全滿足存儲(chǔ)一組6位的數(shù)字密碼的需求。同時(shí)，它大于一萬(wàn)次的可擦寫能力為用戶進(jìn)行修改密碼提供了完善的功能保證。當(dāng)進(jìn)行一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的讀出或者寫入時(shí)，芯片片內(nèi)的地址寄存器會(huì)進(jìn)行加1計(jì)數(shù)操作，以此來(lái)保證下一個(gè)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的讀寫，標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確的順序。芯片內(nèi)采用了二線制總線系統(tǒng)，采用主/從機(jī)雙向通信方式，通過(guò)串行數(shù)據(jù)線及串行時(shí)鐘線在連到總線上的器件之間進(jìn)行可靠的傳輸數(shù)據(jù)，并完成每個(gè)元器件的識(shí)別工作。主從機(jī)都可以工作于接收器和發(fā)送器狀態(tài)，主機(jī)通過(guò)產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)并發(fā)出控制字，控制總線的傳送方向，產(chǎn)生開始和停止的條件。它的控制字由8位的二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，當(dāng)開始信號(hào)發(fā)出，隨后主機(jī)就會(huì)發(fā)出控制字選擇從機(jī)，并控制總線傳送的方向。其接線如圖3所示。

2.3 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊在整個(gè)設(shè)計(jì)中的作用是當(dāng)輸入時(shí)做出提示以及輸入錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行警告。當(dāng)密碼鎖通電后，報(bào)警模塊會(huì)進(jìn)行初始化，這時(shí)如果用戶進(jìn)行密碼輸入，每進(jìn)行一次按鍵就會(huì)發(fā)聲一次提醒輸入有效；另一種情況則是輸入密碼的錯(cuò)誤次數(shù)大于三次時(shí)發(fā)出連續(xù)的聲音進(jìn)行報(bào)警，從另一方面提升密碼鎖的安全性。電路中的三極管收到引腳電平信號(hào)導(dǎo)通后就發(fā)出聲音。

2.4 繼電器控制模塊

該模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)外接機(jī)械鎖達(dá)到真實(shí)解鎖這一功能，所以需要用到一款微型的電磁繼電器。繼電器主要由銜鐵、線圈、鐵芯、彈簧片組成，彈簧片可以外接各式各樣的機(jī)械鎖。它利用了電磁效應(yīng)的原理，當(dāng)電路中產(chǎn)生的電流流經(jīng)繼電器內(nèi)部的線圈時(shí)，產(chǎn)生的電磁力會(huì)隨電流大小而動(dòng)態(tài)的變化，當(dāng)達(dá)到一定的值會(huì)抵消掉彈簧對(duì)銜鐵的拉力讓它吸向鐵芯，控制觸點(diǎn)的開閉，從而決定了電路的導(dǎo)通來(lái)驅(qū)動(dòng)鎖芯。電磁吸力的產(chǎn)生是主要是由電路中電壓電流確定的，所以在通電的情況下繼電器才會(huì)起作用，如果發(fā)聲斷電，彈起的鎖芯就會(huì)在彈簧的拉力下返回原位置，鎖就會(huì)變回上鎖狀態(tài)。

3 系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總流程圖如圖4所示。

首先系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)開始運(yùn)行，當(dāng)手機(jī)輸入數(shù)字密碼時(shí)，數(shù)碼管會(huì)以加密的方式顯示輸入狀態(tài)，若是6位密碼輸入正確，則LED亮起（代表鎖打開），否則熄滅。在LED燈亮起的前提下，可以輸入命令“c”進(jìn)入更改密碼模式，然后重新輸入新密碼，此時(shí)數(shù)碼管顯示的是不加密的明文。輸入新密碼完成之后輸入命令“d ”對(duì)新密碼進(jìn)行確認(rèn)，所有的操作均在手機(jī)端的APP中完成。在手機(jī)按鍵操作之下點(diǎn)擊“close”可以直接關(guān)閉密碼鎖，點(diǎn)擊“retryc”能夠重新開始輸入密碼。本密碼鎖能實(shí)現(xiàn)掉電密碼保存功能，即使斷電重啟也不會(huì)重新恢復(fù)初始密碼，大大提高了電子密碼鎖的實(shí)用性和安全性。而更改密碼這一功能是在高級(jí)模式下更改的，一般人即使知道了密碼但是不知道更改密碼的命令是無(wú)法更改密碼的，安全保障更上一層。

注：更改密碼為此密碼鎖的高級(jí)模式，普通權(quán)限下使用的是“鍵盤模式”。

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，Keil 4作為軟件開發(fā)平臺(tái)，并對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試修改。

其中軟件部分主要需要完成的是主程序的編程、初始化程序的編程、EPROM讀寫程序的編程、密碼設(shè)置程序的編程、LCD顯示程序的編程、鍵盤掃描程序的編程，以及啟動(dòng)程序、關(guān)閉程序和報(bào)警程序的編程。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

4.1 程序調(diào)試與仿真

經(jīng)過(guò)以上的設(shè)計(jì)和分析，在進(jìn)行硬件系統(tǒng)組裝、軟件編程后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

首先對(duì)軟件編譯，編譯鏈接成功之后，生成二進(jìn)制HEX文件。

程序檢測(cè)無(wú)誤后，在Proteus軟件中將各個(gè)模塊連接，進(jìn)行仿真測(cè)試

仿真測(cè)試成功之后，將編寫的軟件燒錄到單片機(jī)的內(nèi)存中，這樣系統(tǒng)上電時(shí)軟、硬件配合才能完美運(yùn)行。

4.2 硬件測(cè)試

（1）用手機(jī)連上HC06模塊的藍(lán)牙之后，在手機(jī)APP中的鍵盤模式里面輸入初始密碼“012345”并觀察單片機(jī)的變化，測(cè)試結(jié)果：數(shù)碼管上顯示輸入密碼的狀態(tài)，6位密碼均被用“—”進(jìn)行加密，從手機(jī)APP的圖上面可以看出輸入的密碼為“012345”，密碼輸入正確，數(shù)碼管下方的一排LED燈亮起。

（2）在手機(jī)APP的命令模式中輸入“c”（在開鎖的狀態(tài)下），設(shè)置新密碼為“201778”，此時(shí)新密碼設(shè)置的過(guò)程為明文在數(shù)碼管上顯示。然后輸入“d”對(duì)新密碼進(jìn)行確認(rèn)。

（3）進(jìn)入APP鍵盤模式，點(diǎn)擊“close”按鈕，關(guān)閉密碼鎖，然后重新掉電啟動(dòng)密碼鎖，輸入“012345”舊密碼，數(shù)碼管右下方的LED燈沒(méi)有亮起，說(shuō)明輸入密碼錯(cuò)誤。

（4）點(diǎn)擊APP鍵盤模式里面的“retry”重新輸入密碼。輸入密碼為“201778”結(jié)果顯示輸入正確的新密碼之后可以成功開啟密碼鎖，而原始的密碼則不能。說(shuō)明密碼更改成功。

5 結(jié)論

由于智能手機(jī)的使用已很普及，幾乎人手一部，而且每天都會(huì)隨身攜帶。因此筆者通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)用智能手機(jī)來(lái)解鎖，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，既能免去鑰匙、IC卡需要攜帶的煩惱，又能省去外置的密碼輸入鍵盤，而且成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，很好的克服了上述各類密碼鎖存在的問(wèn)題。

綜上所述，本設(shè)計(jì)具有無(wú)線操控、自由修改密碼、錯(cuò)誤報(bào)警以及外接多類型實(shí)體鎖等多種功能，兼具造價(jià)低、安全性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的使用、推廣價(jià)值。endprint

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作者單位

山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院 山西省太原市 030031endprint