基于GPRS 的智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于浩，趙玉榮，劉炎銘，劉大偉，張環(huán)宇

（安徽新華學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

就傳統(tǒng)門鎖而言，傳統(tǒng)門鎖一旦使用年限較長，鎖芯老化，磨損嚴(yán)重后，會出現(xiàn)被相似齒輪門鎖的鑰匙打開的情況，尤其是現(xiàn)在居民小區(qū)普遍使用由開發(fā)商統(tǒng)一購買的同廠家同型號的門鎖，這種狀況發(fā)生的概率會變大。而智能門鎖則可以避免這種情況，智能門鎖不僅能在家庭，辦公樓，短租公寓，賓館，學(xué)校等場所，還可與小區(qū)和社會等的安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合報(bào)警的功能。

本文介紹了智能門鎖各個(gè)模塊電路，并設(shè)計(jì)了各模式的程序。該設(shè)計(jì)結(jié)合了GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離、低資費(fèi)的特性，運(yùn)用中斷程序在內(nèi)的多種程序。該智能鎖鎖結(jié)合了AT24C02 存儲芯片，具有斷電密碼保存功能。從而本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多種功能模式的智能門鎖。最后進(jìn)行了實(shí)物焊接，調(diào)試，實(shí)物的測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■1.1 功能要求

該設(shè)備擁有多種模式，各種功能如下。

擁有兩種密碼—用戶密碼和管理員密碼，用戶密碼可以被修改，能初始化用戶密碼，并可以實(shí)現(xiàn)三種模式的轉(zhuǎn)換。

模式一：可以使用用戶密碼解鎖并可以修改用戶密碼，可以輸入管理員密碼重置用戶密碼，按下C鍵修改門鎖模式，三次輸入錯(cuò)誤，發(fā)送AT 指令GPRS 模塊發(fā)短信提醒用戶。

模式二：使用人體感應(yīng)裝置自動(dòng)開關(guān)門，輸入管理密碼可以修改模式。

模式三：只有輸入管理員密碼轉(zhuǎn)換模式才能開門。

■1.2 設(shè)計(jì)方案

本文敘述了基于GPRS 的智能門鎖的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)造和工作的原理，以及智能門鎖的各個(gè)模塊的相互工作原理。在GPRS 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，人體感應(yīng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了這款多功能的GPRS 智能門鎖。該GPRS 的智能門鎖由SIM800L，人體感應(yīng)儀，步進(jìn)電機(jī)，LCD1602顯示器，4x4 矩陣鍵盤等部分組成。圖1 為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是指用最少的元器件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。一般由電源，單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路組成。電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

■2.2 人體感應(yīng)模塊電路

基于GPRS 模塊的智能門鎖在模式二中，需要用到人體感應(yīng)模塊HC-SR501，當(dāng)HC-SR501 感應(yīng)到有人時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)一個(gè)高電平，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開門，待檢測不到人20秒后，門鎖會自動(dòng)關(guān)門。該設(shè)計(jì)模式二具有全自動(dòng)感應(yīng)能力，當(dāng)有人進(jìn)入到設(shè)備監(jiān)測區(qū)時(shí)，HC-SR501 會輸出一個(gè)高電平，當(dāng)設(shè)備未檢測到人員時(shí)會輸出低電平，人員持續(xù)在檢測區(qū)域內(nèi)時(shí)，模塊會持續(xù)輸出高電平，以防人體被開閉門夾傷。電路圖3 所示。

圖3 人體感應(yīng)模塊

為實(shí)現(xiàn)智能門鎖的自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉功能，就要運(yùn)用HCSR501 的感應(yīng)封鎖時(shí)間的功能，感應(yīng)模塊在輸出一個(gè)感應(yīng)后就會緊跟著運(yùn)行一個(gè)感應(yīng)封鎖時(shí)間，在這個(gè)期間內(nèi)感應(yīng)器不會受到其他感應(yīng)信號的控制[1]。這功能可實(shí)現(xiàn)智能鎖在檢測到人員離開檢測區(qū)域后的延時(shí)關(guān)閉功能。同時(shí)還能有效地解決負(fù)載切換中的各種干擾問題。

圖4 SIM800L 電路圖

■2.3 GPRS 模塊電路

本GPRS 智能密碼鎖采用SIM800L 芯片來實(shí)現(xiàn)智能門鎖的通信監(jiān)控報(bào)警功能[2]，SIM800L 是一款雙頻GPRS 模塊，它由國內(nèi)領(lǐng)先的移動(dòng)通信設(shè)備企業(yè)中國上海晨訊科技集團(tuán)設(shè)計(jì)的。該模塊使用簡單的AT 指令控制SIM 板塊的收發(fā)短信。GPRS 模塊在待機(jī)狀態(tài)下電流僅1mA，非常省電。在無外接電源的情況下，普通干電池也能使SIM800L 持續(xù)待機(jī)運(yùn)行幾天的時(shí)間。通過串口，單片機(jī)可以向SIM800L 發(fā)送AT 指令，從而實(shí)現(xiàn)了GPRS 的發(fā)送短信報(bào)警的功能。電路圖如4 所示。

■2.4 液晶顯示電路

1602 液晶顯示器顯示的字符比較簡單，容易操作。LCD 顯示屏是利用液晶的物理性質(zhì)達(dá)到顯示的目的，液晶分子受到不同電極時(shí)的狀態(tài)不一樣，通過控制顯示屏中各個(gè)位置的電極，讓液晶分子呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，就能達(dá)到顯示的目的。由于液晶分子的這種物理特性，LCD 顯示屏在收到信號之后會恒定的顯示，不會出現(xiàn)頻閃，也不會出現(xiàn)圖像失真現(xiàn)象，在這點(diǎn)LCD 要優(yōu)于LED。具體見圖5 所示。

圖5 液晶顯示模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序主要由主程序，重置密碼程序，修改用戶密碼程序，修改多種模式程序等程序組成。重置密碼程序是輸入正確的管理員密碼，按下重置鍵，即可成功重置用戶密碼；修改用戶密碼的功能，用戶可以輸入兩次正確的用戶密碼，智能門鎖自動(dòng)進(jìn)入修改密碼程序，連續(xù)輸入兩次正確的新密碼即可成功修改用戶密碼；智能門鎖擁有三種模式，輸入正確的管理員密碼之后，按下切換模式按鍵進(jìn)行模式切換，即可切換成其他模式。主要程序流程如圖6 所示。

圖6 主要流程圖

4 實(shí)物測試

■4.1 GPRS 短信報(bào)警功能測試

連續(xù)輸錯(cuò)三次密碼，LCD1602 液晶顯示屏顯示send message…發(fā)送短信并進(jìn)入模式三，在模式三下只有輸入管理員密碼來進(jìn)行模式切換才能解鎖密碼鎖[3]。如圖7 顯示。用戶手機(jī)收到短信：“密碼已輸錯(cuò)三次?！碧崾緢?bào)警，如圖8 顯示。

圖7 LCD 顯示發(fā)送

圖8 手機(jī)接收報(bào)警短信截圖

■4.2 密碼修改測試

修改密碼需要輸入正確的用戶密碼，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后再次輸入用戶密碼[4]。此時(shí)LCD 顯示設(shè)置新的密碼英文字樣。然后輸入新密碼后按下D 確定鍵，然后再次輸入相同的密碼在按下D 確定按鍵。兩次密碼一致則修改成功。如圖9，圖10，圖11 所示。

圖9 設(shè)置新密碼

圖10 再次輸入

圖11 修改成功

■4.3 重置密碼功能測試

本設(shè)計(jì)的密碼鎖具有防止密碼遺忘的重置密碼功能。在模式一下輸入正確的管理員密碼后按下B 鍵，即可將用戶密碼重置為初始化用戶密碼000000[5]。在重置用戶密碼后，LCD 顯示RestPasswordOK 字樣。之前的用戶密碼將不可開鎖，管理員密碼只可在程序中更改。重置密碼成功后按下＊號按鍵即可跳轉(zhuǎn)到輸入密碼界面，如圖12 所示。

■4.4 開鎖功能測試

模式一，輸入用戶密碼，按下#號鍵即可開鎖，開鎖后20 秒后步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)反轉(zhuǎn)模擬關(guān)鎖。如圖12 所示開鎖成功[6]。

圖12 重置密碼成功

模式二，讓感應(yīng)模塊感應(yīng)到人，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)模擬門鎖打開。感應(yīng)不到人20 秒后，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)模擬門鎖的關(guān)閉。

模式三，該模式下不可開鎖，如圖13 所示。

圖13 開鎖成功

5 結(jié)論

隨著生活的方方面面都被智能化的時(shí)候，門鎖作為千家萬戶必不可少的生活物品，當(dāng)然也避免不了被智能化。普通門鎖由于只有鑰匙這一種辦法開鎖，給生活帶來了不少麻煩。現(xiàn)在年輕人的生活工作壓力大，經(jīng)常會出現(xiàn)鑰匙忘記帶進(jìn)不了門，或者開門后鑰匙還遺留在門鎖上的現(xiàn)象。很多老年人和兒童他們很容易遺忘或者遺留鑰匙。這些都是普通門鎖可能會遇到的諸多問題。很多短租或者長租公寓的租客流動(dòng)性強(qiáng)，出于安全，短租企業(yè)會經(jīng)常更換鎖具，造成運(yùn)營成本提高。國內(nèi)的智能門鎖的普及率相較于日韓相比很低。所以，本設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景，和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。