一種基于動態(tài)密碼的窨井蓋防盜系統(tǒng)設(shè)計

魏春榮 趙松巖 王李銘 王樹桐 孫建華

（1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.哈爾濱第一機械集團有限公司研究院，黑龍江 哈爾濱 150056）

0 引言

窨井作為城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，多設(shè)置于人員活動密集的場所，由于長期以來人們對窨井的設(shè)計、施工、維護等方面存在不足之處，因此使用窨井蓋會經(jīng)常出現(xiàn)安全問題，絕大多數(shù)窨井蓋只是具有井蓋的基本功能，沒有注重窨井蓋監(jiān)控監(jiān)測方面的設(shè)計，影響公眾出行安全性，為保障人們的出行安全，對現(xiàn)有窨井蓋進行優(yōu)化設(shè)計十分必要。

在國外的某些國家，有關(guān)窨井蓋的設(shè)計都比較合理，對窨井的設(shè)置地點進行設(shè)計，每隔一段距離設(shè)置1 個窨井蓋，并與周圍建筑協(xié)調(diào)，當出現(xiàn)窨井蓋缺失的情況時，窨井顯得更突兀，從而引起行人注意，避免墜井安全事故發(fā)生[1]。國內(nèi)外關(guān)于窨井蓋的自動檢測報警和機械安全碼進行深入研究[2-7]。目前，在智能終端的穩(wěn)定性、通信線路的成本、工程實施階段的質(zhì)量控制和對井蓋管理的考核標準等方面都還存在一些不足，合理的窨井蓋設(shè)計關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全，該文采用動態(tài)密碼系統(tǒng)加強窨井蓋安全防盜性具有重要意義。

1 動態(tài)密碼防盜設(shè)計

為保障窨井蓋在日常使用過程中安全，該文設(shè)計動態(tài)密碼系統(tǒng)來保證窨井蓋的防盜，通過HC-05 藍牙模塊向工作人員傳輸數(shù)據(jù)，整體程序使用Keil5 來編寫，同時為程序的整體優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

在主函數(shù)的循環(huán)中，首先通過Get_Adc_Average（）函數(shù)獲取ADC 通道的電壓值，并將得到的電壓值作為srand（）函數(shù)的種子，隨機生成數(shù)列，再將隨機生成的數(shù)列與10000取余來確保得到四位數(shù)的密碼。逐位比對密碼時設(shè)置正確right 計數(shù)，每對一位，right 自增1，當且僅當right 的值為4時才能正確解鎖且此時right 值清零，否則失敗計數(shù)times 自增1，當times 值大于2 即輸入密碼次數(shù)錯誤超過3 次，則會使BEEP 的電平拉高，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報聲。中斷器每0.5s 中斷一次，因此計數(shù)counter 每600 歸零一次，保證一個動態(tài)密碼持續(xù)時間有5 min。同時將得到隨機數(shù)按位取余得到4 個數(shù)字，用于后續(xù)用戶輸入密碼進行比對。

2 模塊程序設(shè)計

2.1 蜂鳴器報警程序設(shè)計

有源蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過使用偏置電阻對有源蜂鳴器進行保護，其中三極管相當于是蜂鳴器的開關(guān)。當三極管處于飽和狀態(tài)時，電路導(dǎo)通使蜂鳴器發(fā)出警報聲，反之不會發(fā)出警報聲。此外，蜂鳴器模塊還外接了運算放大器8050，起到放大信號的作用，更易于進行分析和處理。當電流信號未超過閾值時單片機發(fā)出的是低平信號，一旦超過閾值，單片機就會發(fā)送高平信號，蜂鳴器發(fā)出警報聲。蜂鳴器電路程序設(shè)計流程如下：首先，對其系統(tǒng)初始化，然后檢測負載支路的電流信號，檢測完成后向STM32 發(fā)送請求信號，由微處理器來判斷當前狀態(tài)，如果沒超過閾值則使蜂鳴器不發(fā)出警報；如果檢測到的電流信號超過閾值，則蜂鳴器發(fā)出警報聲，然后返回中斷等待程序結(jié)束運行。

圖1 蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 顯示屏程序設(shè)計

該文采用TFT-LCD 液晶顯示屏作為動態(tài)密碼系統(tǒng)的顯示模塊。由圖2 可知，TFTLCD 共有35 個端口。其中1 號和3 號引腳為接地端口，2 號和3 號引腳為VDD 電源輸入口，外接3.3V 即可完成供電，4 號引腳是CS 信號端口，5號引腳為導(dǎo)頻信號端口，6 號和7 號引腳分別為數(shù)據(jù)的讀寫端口，8 號引腳為復(fù)位端口。DB0-DB15 引腳為16 個數(shù)據(jù)檢測端口，用于單片機傳輸數(shù)據(jù)。TFT-LCD 顯示是通過內(nèi)部像素點的方式顯示畫面的，像素點以矩陣狀態(tài)進行分布，通過矩陣操作變換使字符畫面變換，保證TFT-LCD 正常運行，即保證其內(nèi)部矩陣模塊工作正常。TFT-LCD 另一個優(yōu)點就是功耗較低，可以節(jié)約成本。顯示屏程序設(shè)計流程如下：首先為系統(tǒng)初始化，顯示邊框以及虛擬鍵盤，如果不能正常顯示虛擬鍵盤就會一直進行初始化，直到正常顯示虛擬鍵盤。之后就會檢測是否有輸入值，如果有輸入值則循環(huán)顯示輸入值，如果沒有輸入值則會在刷新屏幕后返回中斷。在設(shè)置好虛擬按鍵的邊框后，劃分虛擬按鍵的功能區(qū)域為3×4 的矩形區(qū)域，并且通過LCD_Fill（）函數(shù)填充虛擬按鍵背景色，從而達到觸摸虛擬按鍵變色的效果，增強交互性。

圖2 TFTLCD 電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 藍牙模塊設(shè)計

為實現(xiàn)動態(tài)密碼的遠距離傳輸，將STM32 生成的密碼傳輸?shù)绞謾C等移動終端上。該文選擇高效可靠的無線藍牙傳輸技術(shù)，通過HC-05 藍牙模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。HC-05藍牙模塊不僅本身性能優(yōu)越而且其功耗也較低，支持的波特率范圍較為寬泛：2400～1382400，且兼容3.3 V 或5V 系統(tǒng)。HC-05 藍牙模塊的參數(shù)見表1。藍牙模塊采用Bluetooth2.0 傳輸協(xié)議，只需TTL 電路就能驅(qū)動。STM32 單片機每個GPIO口都配有內(nèi)部的上拉、下拉電阻，通過寄存器控制，方便藍牙模塊與單片機相連[8]。HC-05 模塊通過串口線進行連接通信，包括RXD，TXD。

表1 HC-05 性能參數(shù)

HC-05 的所有功能都是靠AT 指令集控制實現(xiàn)的，設(shè)置相應(yīng)的AT 指令后即可工作在相應(yīng)的狀態(tài)，在進入AT 指令模式前要拉高KEY 引腳的電平；反之，退出AT 指令則拉低KEY 引腳電平。在與STM32 連接中，KEY 引腳與GPIOA_Pin4 相連，RXD 與GPIOB_Pin10 相連，TXD 與GPIOB_Pin11相連，使能端VCC 接的是5V 的電源。

3 動態(tài)密碼系統(tǒng)測試

3.1 HC-05傳輸距離測試

一般HC-05 默認通信距離為10m，但在實際使用過程中HC-05 的傳輸距離可達到10m 以上，在環(huán)境空曠的情況下一些較為專業(yè)的藍牙模塊甚至可達到30 米的傳輸距離[9]。在傳輸距離測試中，先發(fā)送8 組數(shù)據(jù)，然后暫停10s，如果能重新發(fā)送數(shù)據(jù)，則說明當前的藍牙連接有效。由表2 可知，為HC-05 的傳輸距離測試結(jié)果。在20m 內(nèi)，HC-05 藍牙連接是很穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)能夠成功傳輸至移動終端；在24m～26m時，藍牙連接開始不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸有時會發(fā)送失敗，藍牙連接也會經(jīng)常斷開；在28m 時，藍牙連接完全斷開，無法重新連接且數(shù)據(jù)傳輸失敗。因此HC-05 的有效傳輸距離在20m 左右，可以滿足工作人員打開窨井蓋日常作業(yè)的要求。

表2 HC-05 傳輸距離測試

3.2 藍牙有效距離RSSI 測試

在不同距離下測量RSSI 值時判斷藍牙連接能力強弱的重要標準之一，為了方便數(shù)據(jù)收集整理，本次測量距離采用5m、10m、15m、20m 四種距離。HC-05 模塊可以使用AT指令：AT+INQ 便可以查詢在不同位置時的RSSI 值。根據(jù)傳輸距離測試的結(jié)果，每組測量50 組RSSI 值。

從圖3 中可知，在5m 的位置上，HC-05 的接收信號強度指示RSSI 在-65dBm～-50dBm 浮動，顯示出非常穩(wěn)定的藍牙數(shù)據(jù)傳輸信道，該位置的平均RSSI 值為-60.34dBm，符合測量結(jié)果。在10 米的位置上，接收信號強度指示RSSI 與5m 位置相比更低，RSSI 值在-75dBm～-64dBm 浮動，其平均RSSI 值為-70.12 dBm，符合圖中的分析結(jié)果，同時也說明 10 m 這個位置的數(shù)據(jù)接收是穩(wěn)定的。在15 m 的測量位置上，前6 組測量結(jié)果顯示RSSI 值在-82dBm～-75dBm 浮動，期間接收強度偶有變?nèi)?，隨后RSSI 值在-75dBm～-65dBm 浮動，數(shù)據(jù)傳輸信號強度也得以恢復(fù)，說明在15m 的位置上數(shù)據(jù)傳輸總體情況是良好的，其平均RSSI 值為-72.42 dBm。在20m 的位置上，接收信號強度指示RSSI 均在-85dBm～-75dBm 浮動，有些浮動變化較大，其間數(shù)據(jù)傳輸信號強度明顯變?nèi)?，該位置上的平均RSSI 值為-78.06 dBm，與HC-05藍牙模塊的RSSI 接收閾值非常接近，說明20m 這個位置數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)錯誤概率較大，數(shù)據(jù)容易中斷。從測量結(jié)果看，RSSI 值隨著距離的不斷增大而逐漸變小，浮動增大，數(shù)據(jù)傳輸也越容易出現(xiàn)錯誤。因此在窨井蓋的日常維護工作中要盡量保證在20 米內(nèi)使用終端連接藍牙，才能保證動態(tài)密碼的正常傳輸。

圖3 RSSI 測量結(jié)果

3.3 動態(tài)密碼接收測試

HC-05 模塊的藍牙版本為2.0，測試中使用的Android 手機上的藍牙也是2.0 版本。在測試中，Android 手機始終與HC-05 模塊保持在20m 內(nèi)，信號傳輸處于平穩(wěn)狀態(tài)，同時Android 手機的通信頻段為2.4GHz，也有可能會影響藍牙傳輸，因此Android 手機在測試時僅有藍牙模塊處于未開啟狀態(tài)，其余如Wi-Fi、4G 移動流量等都處于關(guān)閉狀態(tài)，盡最大可能地減少干擾。由圖4（a）密碼輸入錯誤效果圖可知，當密碼輸入錯誤時，單片機底部的紅色LED 燈會亮起，提醒用戶密碼輸入錯誤，如果密碼連續(xù)輸入錯誤達到3 次，蜂鳴器會發(fā)出警報聲；由圖4（b）密碼輸入正確的效果圖可知，此時單片機底部的綠色LED 燈會亮起，如果此前輸入過錯誤密碼而亮起的紅色LED 燈也會因為輸入正確密碼后熄滅，只亮起綠色LED 燈以提醒用戶密碼輸入正確。

圖4 動態(tài)密碼輸入測試

HC-05 與終端（測試時使用的Androidd 手機）連接，當終端與HC-05 成功連接時，終端會顯示“已連接”。同時單片機的屏幕上也會在屏幕中央紅色CODE 下方顯示“OK”表示藍牙連接成功，可以正常使用。反之，如果終端與HC-05連接異常導(dǎo)致沒能成功連接，終端會顯示“連接斷開”。單片機的顯示屏上也會在紅色CODE 下方顯示“error”，表示藍牙連接異常，請重新連接。

動態(tài)密碼的終端輸入測試，當單片機生成動態(tài)密碼且通過藍牙將動態(tài)密碼發(fā)送到終端后，可通過使用終端輸入密碼來解鎖，只要在終端的輸入框內(nèi)輸入剛剛接收到的動態(tài)密碼，可通過藍牙將輸入的密碼再次傳輸回單片機，在單片機的顯示屏上也會在紅色CODE 下方顯示由終端輸入的密碼，單片機通過對比驗證后可通過單片機下方的LED 燈亮起的顏色得知輸入密碼是否正確。

動態(tài)密碼的變更測試，動態(tài)密碼不是一成不變的，動態(tài)密碼隨設(shè)定的時間變化，每隔一段時間之前的密碼將會被廢棄，只有輸入最新密碼才能被視作輸入正確密碼，之前生成的密碼超過了設(shè)定的時間已經(jīng)作廢，只有在終端輸入當前的密碼才能使單片機的綠色LED 燈變亮，即輸入密碼正確。同時為了測試更方便、高效，將動態(tài)密碼的生成時間設(shè)置為較為短暫的1 min，這意味著一個密碼只有1 min 的壽命，過了1 min 新密碼生成取代舊密碼，在正式使用中可以根據(jù)不同的情況將動態(tài)密碼的壽命設(shè)置成不同的時間。測試時每隔一分鐘單片機會生成一個新密碼并通過藍牙不斷傳輸，只要在HC-05 的工作范圍內(nèi)即20m 以內(nèi)，就可以保證終端可以在第一時間收到最新的動態(tài)密碼。每個動態(tài)密碼都是相隔1min接收到的，并且新生成的密碼與生成過的密碼不會相同，從而保障動態(tài)密碼的安全。

4 結(jié)語

該文主要設(shè)計了動態(tài)密碼防盜系統(tǒng)的程序。其中包括動態(tài)密碼主程序的設(shè)計以及蜂鳴器、顯示屏模塊、藍牙模塊的程序設(shè)計。在程序設(shè)計過程中要盡量保證程序的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可擴展性、時效性和易維護性，同時做好程序的模塊化編寫，保證程序的邏輯性并做好注釋，方便后期添加新功能以及對進行維護。同時通過對HC-05 藍牙模塊的傳輸距離測試和有效距離RSSI 測試來驗證HC-05 的工作可靠性，已達到該設(shè)計的工作要求。對動態(tài)密碼接收測試來驗證動態(tài)密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，在HC-05 的有效工作距離內(nèi)，動態(tài)密碼可以進行密碼傳輸、比對等工作，動態(tài)密碼系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。