基于Arduino的智能電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖瑞虎，吳錚杰，肖 逸，阮 軍

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

伴隨著大型集成電路技術(shù)的日新月異，傳統(tǒng)機(jī)械鎖的便捷性和安全性面臨著巨大的挑戰(zhàn)，于是電子密碼鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械鎖應(yīng)運(yùn)而生。電子密碼鎖克服了機(jī)械式密碼鎖密碼量少、安全性能差的缺點(diǎn)，且機(jī)械式鎖孔更容易被撬鎖，同時(shí)也增加了用戶攜帶鑰匙的負(fù)擔(dān)。如今，電子密碼鎖不論在技術(shù)上還是在性能上，都大大提高一步。微處理器在電子密碼鎖中的應(yīng)用越來越廣泛，電子密碼鎖向智能化發(fā)展，帶微處理器的智能電子鎖在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上不斷出現(xiàn)，它除了具有電子密碼鎖的功能外，還具有智能化管理、報(bào)警、分析系統(tǒng)等功能，從而使電子密碼鎖具有很高的安全性、可靠性和極大的推廣價(jià)值。從國(guó)外市場(chǎng)來看，由于人們安防意識(shí)比較強(qiáng)，研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)比較先進(jìn)，管理機(jī)制和服務(wù)體系都比較完善，智能電子鎖的使用是比較廣泛的。在美國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，電子鎖已成為具有規(guī)模效益的重要產(chǎn)業(yè)。

從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來看，智能電子鎖行業(yè)規(guī)模日益壯大，近幾年，各種新興品牌更是如雨后春筍般出現(xiàn)，不過這同時(shí)也導(dǎo)致國(guó)內(nèi)電子鎖質(zhì)量參差不齊，價(jià)格也從四五百到八九千不等，但功能上區(qū)分卻并不大。常見的解鎖方式有指紋解鎖、卡片解鎖、密碼解鎖、鑰匙解鎖，而APP解鎖是電子鎖產(chǎn)品的一道分界線，它又大致分為藍(lán)牙APP解鎖和4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程解鎖2種。通常，價(jià)格在2 000元以下的、所謂的“APP遠(yuǎn)程解鎖”，實(shí)為藍(lán)牙解鎖，不具備異地解鎖功能；而2 000元以上的電子鎖產(chǎn)品則為4G網(wǎng)絡(luò)解鎖，具備異地解鎖功能。從電子鎖行業(yè)整體水平來看，我國(guó)還是遠(yuǎn)不達(dá)國(guó)際水平。作為智能電子鎖，四五百的價(jià)格顯然太低，質(zhì)量堪憂，這也是一些企業(yè)盲目跟風(fēng)，沒有核心競(jìng)爭(zhēng)力，技術(shù)和外觀都日趨同質(zhì)化的結(jié)果；八九千的價(jià)格無疑太高，普通家庭難以承擔(dān)。同時(shí)，現(xiàn)在很多智能鎖和門廠的設(shè)計(jì)相互都沒有貼合，這就導(dǎo)致智能鎖到門廠去需要經(jīng)過比較復(fù)雜的安裝調(diào)試，進(jìn)一步提高了安裝和銷售維護(hù)的成本。市面上的智能電子鎖功能雖然眾多，但產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，功能眾多意味著被攻克的可能性更大，損壞后不宜修理，返廠時(shí)間長(zhǎng)。因此，研究一種價(jià)格低廉、可靠性高、體積較小、安裝簡(jiǎn)單、開鎖方便的智能電子鎖顯得尤為必要。

1 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上的智能鎖主要以傳統(tǒng)執(zhí)手型為主，開門需要手動(dòng)擰門把手，而不是直接開門，當(dāng)用戶手持東西時(shí)開門很不方便，給用戶帶來了較多的時(shí)間損失，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的智能鎖采取推拉型，解鎖后鎖舌自動(dòng)縮入，推門即入，省去了因雙手提物品之類的情況而難以空出雙手開門的麻煩。

市場(chǎng)上電子鎖外觀“出其”統(tǒng)一、質(zhì)量好壞難辨、安裝條件麻煩，而且部分電子鎖還存在漏電現(xiàn)象，其用戶甚至需要每天更換一組電池，帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，且嚴(yán)重污染環(huán)境。針對(duì)這一情況，我們采用了電控鎖和控制模塊相結(jié)合的辦法，將整個(gè)鎖體置于門內(nèi)，對(duì)門的厚度無要求，且避免了外來人士對(duì)電子鎖有意或無意的破壞。供電上采取插頭供電和外置鉛蓄電池供電相結(jié)合的方式，在停電后會(huì)自動(dòng)切換成電源箱供電，且能維持正常工作7～12 h，能有效避免因停電而開不了門的情況。

電子鎖主要包括3個(gè)部分，即解鎖工具端、信號(hào)通信端和處理響應(yīng)端。手機(jī)、藍(lán)牙手環(huán)發(fā)出解鎖信號(hào)，編碼信號(hào)通過WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、NFC模塊傳給Arduino單片機(jī)進(jìn)行處理，然后單片機(jī)給鎖發(fā)出開鎖信號(hào)使鎖打開，實(shí)現(xiàn)基本功能。為了保證成本，鎖體采用電控門禁鎖。核心處理器件采用Arduino單片機(jī)，其優(yōu)勢(shì)在于代碼開源，且功能強(qiáng)大，兼容性好，通過外接液晶顯示屏可實(shí)現(xiàn)可視化觸控操作。而解鎖工具端采用手機(jī)APP與藍(lán)牙手環(huán)相結(jié)合的方式。

1.1 總體框圖設(shè)計(jì)

電子鎖原理框圖如圖1所示，APP可通過與云服務(wù)器和鎖端的WiFi模塊遠(yuǎn)程開鎖，也可以與藍(lán)牙手環(huán)一樣通過近距離藍(lán)牙配對(duì)來實(shí)現(xiàn)開鎖，同時(shí)，手環(huán)上可集成NFC芯片，實(shí)現(xiàn)超近距離非接觸開鎖。各種開鎖方式均操作簡(jiǎn)單、方便快捷。

1.2 機(jī)械鎖功能設(shè)計(jì)

機(jī)械鎖由Arduino mega2560R3、傳感器、顯示器等幾部分構(gòu)成。顯示器采用可觸摸屏幕設(shè)計(jì)，讓人們“隨點(diǎn)隨用”。屏幕主界面顯示有時(shí)間、藍(lán)牙、WiFi等信息，在這個(gè)界面，鎖端的無線連接信息一目了然。在屏幕無操作一段時(shí)間后，即會(huì)自動(dòng)息屏，當(dāng)有操作或鎖端接收信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)亮屏顯示信息。通過點(diǎn)擊設(shè)置圖標(biāo)，彈出密碼驗(yàn)證界面，驗(yàn)證成功即可進(jìn)入設(shè)置功能界面，點(diǎn)擊屏幕即可配置鎖端功能信息，比如打開/關(guān)閉藍(lán)牙和WiFi、綁定設(shè)備、修改密碼、添加/刪除門卡等。其中，門卡可以是任何帶有NFC芯片的卡片或設(shè)備，比如具有NFC功能的手機(jī)。

1.3 藍(lán)牙手環(huán)功能設(shè)計(jì)

藍(lán)牙手環(huán)由Arduino mega328p、藍(lán)牙模塊、鋰電池和2個(gè)物理開關(guān)組成，需要用手環(huán)解鎖時(shí)，只需事先將手環(huán)藍(lán)牙調(diào)至待匹配狀態(tài)，然后手環(huán)便會(huì)自動(dòng)與鎖端藍(lán)牙相連。手環(huán)功能流程如圖2所示。

圖1 電子鎖原理框圖

2 程序設(shè)計(jì)

APP和鎖、手環(huán)之間的通信是通過藍(lán)牙和4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)電子鎖系統(tǒng)中，APP遠(yuǎn)程解鎖和手環(huán)藍(lán)牙解鎖是控制的主要方式和特點(diǎn)所在。

進(jìn)入APP后，先找到對(duì)應(yīng)的鎖，并輸入密碼，與鎖端實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)。在輸入密碼的過程中，可點(diǎn)擊“記住密碼”，避免第二次輸入密碼所帶來的不便。根據(jù)輸入密碼的正確與否，決定是否進(jìn)入控制界面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖端開關(guān)的控制。在彈出的二級(jí)界面中，可以顯示出鎖的開關(guān)狀態(tài)及獲取相應(yīng)鎖端設(shè)備的mac地址；在此界面中，可以直接對(duì)鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)操作，也可以在該界面點(diǎn)擊“藍(lán)牙開關(guān)”按鈕，進(jìn)入藍(lán)牙配置子界面，使用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖端的控制（為備用解鎖途徑）。藍(lán)牙配置子界面可實(shí)現(xiàn)手機(jī)藍(lán)牙開關(guān)，搜索設(shè)備配對(duì)連接、開門，配置手環(huán)及手環(huán)匹配新鎖等功能。這樣，一個(gè)基本的移動(dòng)端APP軟件控制就已實(shí)現(xiàn)其功能。APP功能流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析

在發(fā)送端與接收端互發(fā)信息的過程中，信息會(huì)受到各種因素的影響。為了判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在多次實(shí)地開鎖實(shí)驗(yàn)過程中，電子鎖均表現(xiàn)良好，以下是具體結(jié)果和分析。

手機(jī)APP可存儲(chǔ)多個(gè)鎖端設(shè)備，開鎖時(shí)只需選擇相應(yīng)的設(shè)備綁定即可，遠(yuǎn)程開鎖十分快捷，可異地開鎖；在實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙配對(duì)以后，點(diǎn)擊開鎖/關(guān)鎖，亦可實(shí)現(xiàn)鎖的開/關(guān)。

圖2 手環(huán)功能流程圖

圖3APP功能流程圖

藍(lán)牙手環(huán)可通過和鎖端藍(lán)牙配對(duì)來解鎖，解鎖時(shí)間為7～15 s，有效范圍為10 m以內(nèi)。鎖端藍(lán)牙可同時(shí)連接7個(gè)設(shè)備，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備占用而導(dǎo)致其他家庭成員無法用藍(lán)牙開門，實(shí)現(xiàn)了“多環(huán)開一鎖”。若需更改手環(huán)能打開的鎖，只需將手環(huán)與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)，然后在APP上進(jìn)行相應(yīng)操作即可，實(shí)現(xiàn)了“一環(huán)開多鎖”。

表1 電子鎖參數(shù)表

鎖端可自行添加NFC門禁卡，比如手機(jī)的NFC、公交卡等，在鎖端的顯示屏上進(jìn)行“添加門卡”操作后即可使用，免去多攜帶更多的卡，同時(shí)也可作為一次性開門鑰匙，給客人們使用。電子鎖成品的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的智能電子鎖系統(tǒng)改變了以往的機(jī)械鎖概念，用人們耳熟能詳?shù)氖謾C(jī)與手環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑰匙來實(shí)現(xiàn)開鎖，符合自動(dòng)化的趨勢(shì)。在功能上可以實(shí)現(xiàn)用一個(gè)手機(jī)APP管理多個(gè)手環(huán)和鎖，實(shí)現(xiàn)手環(huán)和鎖的多對(duì)多匹配；亦可任意添加/刪除門卡，作一次性鑰匙使用。在使用上，既方便、快捷又靈巧、安全。與市面上其他電子鎖相比，我們?cè)O(shè)計(jì)的電子鎖既有可以與之匹敵的功能，又可兼顧安全性，避免了一些電子鎖由于設(shè)計(jì)及缺陷而存在的一些漏電現(xiàn)象。用戶可在手機(jī)APP端自由查看門鎖的狀態(tài)，同時(shí)與傳統(tǒng)的智能電子鎖相比，成本大幅度降低，給消費(fèi)者一個(gè)在選購(gòu)鎖方面更加優(yōu)質(zhì)的選擇。

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