基于非接觸式IC卡的智能門鎖設(shè)計

樹豫　耿麗　胡海濤　曹星雨　馬晴晴

摘要：根據(jù)市場上智能門鎖的安全隱患問題，為增強(qiáng)智能門鎖的安全性、便捷性，我們提出采用手機(jī)進(jìn)行智能門鎖解鎖的方法，設(shè)計了一款基于手機(jī)NFC功能的智能門鎖。此設(shè)計可防止他人通過無線網(wǎng)破解門鎖，并且此智能門鎖采用不聯(lián)網(wǎng)非接觸式解鎖。在此基礎(chǔ)上，為使在發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏時屋內(nèi)人員快速得到救援，增加了燃?xì)鈧鞲衅鱽硎归T鎖在突發(fā)緊急情況下被救援人員打開。設(shè)計方案安全、穩(wěn)定、快捷、有效，具有一定的實用性。

關(guān)鍵詞：NFC;智能門鎖;無線網(wǎng)破解;燃?xì)鈧鞲衅?/p>

隨著信息化時代的來臨，數(shù)字化信息開始不斷改變?nèi)祟惖纳?，其中，網(wǎng)絡(luò)就是它的發(fā)展產(chǎn)物之一。網(wǎng)絡(luò)的普及既有優(yōu)點也有缺點，互聯(lián)網(wǎng)拉近了人與人之間的距離，便利了人們的生活，但也對人們的隱私安全產(chǎn)生危害，現(xiàn)代社會也發(fā)生了許多因互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)致信息泄露而引起的個人財產(chǎn)生命安全受到危害的許多案例。如今隨著時代的變化，越來越多的人開始將互聯(lián)網(wǎng)與生活聯(lián)系在一起，智能電器也被廣泛地應(yīng)用進(jìn)生活，因此智能門鎖的使用也越來越廣泛。但許多智能門鎖仍存在著些許的安全隱患，例如，開門數(shù)據(jù)指令被竊取風(fēng)險，服務(wù)器被攻擊導(dǎo)致密鑰泄露風(fēng)險等等，這些容易忽略的安全隱患不僅會對人們的財產(chǎn)安全造成威脅，更是威脅了人們的生命安全，所以為了使智能門鎖更具安全性，我們設(shè)計了一款基于NFC功能的智能門鎖，可以做到不連接WiFi，藍(lán)牙就能輕松完成解鎖，這樣可以有效地防止他人通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取數(shù)據(jù)進(jìn)而揭開門鎖的事件發(fā)生。本設(shè)計基于NFC功能的智能門鎖進(jìn)行了改善與升級，可以使人們在日常解鎖中采取更加安全，快捷的方法進(jìn)行解鎖，也大大提高了智能門鎖的安全性和防范性，可廣泛應(yīng)用于生活之中。

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在很多家庭都摒棄了傳統(tǒng)的做法與取暖的方法，越來越多的家庭將天然氣或煤氣作為主要的能源，天然氣具有無色無味的特性，如果天然氣泄漏很難通過嗅覺來察覺，因此由于天然氣泄漏，煤氣泄漏而引起的安全事故逐年增加，為使身陷此類安全事故中人們能夠快速察覺危險并且及時得到救援，本智能門鎖還安裝了燃?xì)鈧鞲衅?，可以用來檢測瓦斯、液化石油氣、一氧化碳有無泄漏，一旦有泄漏被燃?xì)鈧鞲衅鳈z測到，智能門鎖將會觸發(fā)其中的報警裝置來發(fā)出報警信號，此時本設(shè)計的智能門鎖解鎖就能通過已設(shè)定程序遇到報警裝置發(fā)出報警信號從而打開門鎖，以幫助救援人員減少救援時間來解救屋內(nèi)中的人，此功能不僅大大提高了此類安全事故的逃生率，而且還能夠有效地提高人們生活環(huán)境的安全性與防范性。

目前市場上所存在的智能門鎖，其中大多數(shù)門鎖的鎖舌在門關(guān)閉的時候都會與門框進(jìn)行摩擦，這樣的設(shè)計會使鎖舌得到長久的磨損，從而會導(dǎo)致鎖舌的使用壽命大大下降，而本智能門鎖設(shè)計了一種新穎的關(guān)門方式，即當(dāng)門將要關(guān)閉上時，鎖舌會慢慢收入鎖體中，這樣可以避免像傳統(tǒng)鎖舌一樣的磨損，從而可以大大增加門鎖的壽命，使門鎖更好地得到了保護(hù)。此外，此設(shè)計可有效防止人為觸動鎖舌致使門打開，設(shè)計安全可靠。

1 智能門鎖硬件設(shè)計

該門鎖以Arduino nano v3為控制核心，工作模塊有：MQ9可燃?xì)怏w傳感器、霍爾傳感器、MFRC522讀卡器、L298N電機(jī)驅(qū)動器、蜂鳴器。所有功能模塊均選用體積最小，穩(wěn)定性最高的版本，保證用戶使用時的功能穩(wěn)定和性能安全。

1.1 arduino nano v3參數(shù)

該門鎖選用的開發(fā)板是arduino USB版本中最小體積直插式開發(fā)板，處理器為ATmega328，存儲器為32KB Flash，其中2KB用于BootLoader，同時還有2KB SRAM和1KB EEPROM。接口部分除MiniB USB接口外，有14路數(shù)字輸入/輸出口，其中6路可作為PWM輸出，8路模擬輸入。選用16MHz晶體振蕩器，工作時鐘16MHz。工作電壓5V，推薦輸入電壓7—12V，實際輸入電壓620V。支持SPI、I2C、COM通信方式。

1.2 L298N電機(jī)驅(qū)動模塊參數(shù)

該門鎖鎖舌的工作電壓為12V，所以不能直接使用開發(fā)板的工作電壓進(jìn)行驅(qū)動，所以采用該驅(qū)動模塊對門鎖進(jìn)行控制。驅(qū)動電壓5V35V，當(dāng)驅(qū)動電壓輸入為5V12V時，可輸出5V的邏輯電壓供驅(qū)動板邏輯控制，同時還可以輸出供其他設(shè)備使用，所以該門鎖的其他模塊的供電全部由該驅(qū)動板提供。驅(qū)動電流單橋最大2A，最大功率25W。具有超寬工作溫度范圍，可以在極限環(huán)境下提供穩(wěn)定的輸出，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行和用戶的消防安全。通過開發(fā)板的數(shù)字信號0和1對驅(qū)動板進(jìn)行操作，從而達(dá)到控制電磁鎖舌的收縮，進(jìn)行解鎖。

1.3 MFRC522 IC卡感應(yīng)模塊參數(shù)

該模塊用于讀取用戶的卡片信息，判斷是否有解鎖權(quán)限。支持的卡片類型有mifare S50、mifare S70、mifare UItraLight、mifare Pro、mifare Desfire。工作頻率13.56MHz，能在-20℃～80℃穩(wěn)定工作，為用戶提供極限環(huán)境的穩(wěn)定解鎖。工作電壓3.3V，可以直接使用開發(fā)板的輸出電壓。通信方式為SPI，可同時進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。

1.4 3144霍爾傳感器參數(shù)

該傳感器是一種磁傳感器，用于檢測磁場的變化，可以直接輸出數(shù)字和模擬信號。該門鎖使用該傳感器的目的是用于檢測門當(dāng)前狀態(tài)，在門框或鎖扣上加裝磁鐵或直接充磁即可。工作電壓5V，工作電流15mA。配合電位調(diào)節(jié)器，可進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)。

1.5 MQ9可燃?xì)怏w&煙霧傳感器模塊參數(shù)

該氣體傳感器采用的氣敏材料是在清潔空氣中導(dǎo)電率較低的二氧化錫（SnO2），采用高低溫循環(huán)檢測的方式檢測可燃?xì)怏w，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w的濃度增大而增大。低溫（1.5V加熱）時，檢測一氧化碳;高溫（5V加熱）時，檢測甲烷，丙烷，并清洗低溫時吸附的雜散氣體。檢測濃度為101000ppm，加熱功耗350mW，工作電壓5V，測試工作溫度20℃。

2 功能介紹

由于該鎖控制系統(tǒng)沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以所有的操作動作都轉(zhuǎn)化為電信號。

2.1 反鎖功能

當(dāng)檢測到反鎖信號時，屏蔽所有的解鎖信號，同時檢測到解鎖信號時，進(jìn)行蜂發(fā)聲和LED燈光提示。當(dāng)檢測到非反鎖信號時，可進(jìn)行正常解鎖操作。

2.2 非接觸式IC卡解鎖、記錄功能

非接觸式IC卡由IC芯片、感應(yīng)天線組成，并完全密封在一個標(biāo)準(zhǔn)PVC卡片中，無外露部分。由非接觸式IC卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過程都得到了很大的簡化。IC讀卡模塊可檢測極限距離為7cm，當(dāng)有IC卡靠近時，自動讀取IC卡信息進(jìn)行判斷。當(dāng)檢測到已添加的IC卡信息時，執(zhí)行解鎖流程;當(dāng)檢測到未添加的IC卡信息時，則進(jìn)行蜂鳴和燈光提示，同時記錄該卡片信息，留作證據(jù)。

2.3 添加/刪除用戶IC卡功能

當(dāng)檢測到添加IC卡信號時，進(jìn)入添加IC卡流程。首先等待刷最高管理權(quán)限卡，驗證是管理員正在進(jìn)行操作，驗證通過后，再刷要添加的卡片，刷完后提示保存狀態(tài)，保存成功后，該卡片可進(jìn)行解鎖操作。設(shè)定可保存10張IC卡信息，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，可保存卡片的數(shù)量設(shè)定應(yīng)考慮內(nèi)存的因素。當(dāng)檢測到刪除卡信號時，則刪除最近添加的用戶IC卡信息，此后該卡片則無法進(jìn)行解鎖。

2.4 門當(dāng)前狀態(tài)判斷功能

通過霍爾傳感器，檢測門當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)門鎖啟動時，首先判斷門狀態(tài)。如果門處于打開狀態(tài)，則釋放鎖舌等待用戶關(guān)門，如果處于關(guān)門狀態(tài)，釋放鎖舌等待用戶解鎖。當(dāng)門被解鎖后，用戶正常推開門，檢測到門被打開，則鎖舌釋放，防止用戶長期開門狀態(tài)下鎖舌一直處于收回狀態(tài)，導(dǎo)致功耗增加，甚至燒壞電磁線圈。如果門被解鎖后，用戶在設(shè)定時間內(nèi)未推開門，檢測到門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，則重新上鎖，等待用戶再次解鎖。

2.5 非正常解鎖開門報警功能

當(dāng)門鎖未解鎖或未經(jīng)過解鎖流程后，檢測到門被打開，則進(jìn)行警報?？梢蕴崾居脩糸T已被暴力方式開啟或破壞。

2.6 火災(zāi)、燃?xì)庑孤┹o助消防功能

為解決發(fā)生火災(zāi)、燃?xì)庑孤?zāi)害時，消防人員無法及時打開門而延誤救援時間的問題，門鎖加裝煙霧和可燃?xì)怏w傳感器，當(dāng)檢測到室內(nèi)燃?xì)饣驘熿F濃度達(dá)到設(shè)定值時，發(fā)出警報，并且門外人員可直接打開門鎖，進(jìn)行施救。

2.7 鎖舌摩擦保護(hù)功能

普通機(jī)械門鎖進(jìn)行關(guān)門操作時，通過鎖舌的斜面結(jié)構(gòu)將鎖舌壓入鎖扣，這種結(jié)構(gòu)的門鎖可以使用薄片插入門縫，將鎖舌壓回門鎖內(nèi)，打開門鎖。為減少摩擦和結(jié)構(gòu)漏洞，該門鎖鎖舌使用直插圓柱結(jié)構(gòu)，不僅可以防止機(jī)械性破解，還可以通過霍爾感應(yīng)器檢測是否接近門框，從而實現(xiàn)快速自動收回鎖舌，保護(hù)鎖舌。

3 結(jié)論

將無線解鎖與安全系統(tǒng)相結(jié)合，提出基于NFC功能進(jìn)行智能解鎖方案。系統(tǒng)在高效便捷的解鎖情況下，還大大增加了智能門鎖的安全性，符合當(dāng)代社會的需求發(fā)展。隨著智能門鎖逐步成為家庭智能安全的核心單品，現(xiàn)已是智能家居生態(tài)鏈上不可或缺的核心組成部分。

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基金項目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目名稱：定時門鎖的設(shè)計與實現(xiàn)（項目編號：XCD2019002）

作者簡介：樹豫（1999—），女，江蘇泰州人，本科，南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：電氣工程。

*通訊作者：耿麗（1978—），女，江蘇宿遷人，碩士，南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院講師，工程師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。