一種智能門鎖的設(shè)計

張清辰，王厚英，何經(jīng)偉

（北海職業(yè)學院，廣西 北海 536000）

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達的今天，人類已經(jīng)擁有大量認證和密碼，例如支付賬號密碼、開機賬號密碼、登錄賬號密碼、各移動智能終端所需要的密碼等[1]?，F(xiàn)今密碼的重要性不言而喻，伴隨科技的發(fā)展，借助生理特征及行為動作等特性來驗證識別身份以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密碼鎖解鎖方式，解決了密碼繁雜難記的問題，減免了被他人盜用的風險。目前，有效融合智能密碼鎖、生物識別技術(shù)以及感應卡，讓智能密碼鎖系統(tǒng)得到快速發(fā)展，其密碼鎖具有覆蓋面廣、安全性好、使用方便等特點，基于密碼鎖識別性強、便于管理等優(yōu)點，新型的密碼鎖系統(tǒng)也被大量使用[2]。

伴隨著電子集成制造技術(shù)不斷深入發(fā)展，安全可靠的算法也應運而生，從而為指紋識別、紅外遙控解鎖的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)[3]。在智能門鎖密碼設(shè)置、解鎖過程需要處理大量比對數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)信息分析對比時，需要精度高、集成性好、智能化強的AS608指紋識別、MFRC522射頻識別、無線遙控等核心芯片，從而促使智能門鎖系統(tǒng)在進行密碼保護及解鎖的過程更加安全可靠。

綜上所述，本設(shè)計的具有多種解鎖功能的智能化門鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由AS608指紋識別模塊、MFRC522射頻識別模塊、紅外遙控模塊、存儲電路模塊、報警電路模塊等組成，系統(tǒng)的功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

1 系統(tǒng)功能模塊分析

該系統(tǒng)由一個單片機系統(tǒng)、一個矩陣鍵盤、一個LCD顯示器、一個指紋模塊、一個紅外接收頭/遙控器模塊等組成。該系統(tǒng)在對密碼進行輸入之際，由單片機控制指紋信息、面部鍵盤抑或是紅外遙控器加以利用，便能夠匹配相應的密碼，判斷密碼正確與否，并向解鎖和報警電路發(fā)送高、低信號電平，以執(zhí)行解鎖和報警命令。在設(shè)計方案中，本門鎖系統(tǒng)可實現(xiàn)指紋的錄入與使用，進行指紋解鎖、紅外遙控密碼設(shè)置及解鎖以及ID卡解鎖等多種解鎖，同時系統(tǒng)可實現(xiàn)存儲密碼、刪除密碼、更改密碼等功能操作。另外，本方案創(chuàng)新之處在于紅外遙控的解鎖功能，大大增加了智能門鎖的便捷性，使用起來體驗感也會有所提升。本系統(tǒng)各功能模塊分析如下：

1.1 AS608指紋識別模塊

AS608指紋識別模塊的主要作用是，利用生物學生理特征來驗證人體手指指紋的各異，識別身份以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙解鎖、密碼鎖解鎖方式，避開了攜帶鑰匙的不便性及密碼難記憶問題，具有解鎖的及時性與方便性。

1.2 MFRC522射頻模塊

MFRC522射頻模塊的主要作用：ID門卡通過RFID-RC522射頻接收模塊信號，進行執(zhí)行門鎖設(shè)置密碼及解鎖密碼動作，最后把門鎖密碼信息存儲于ID門卡，通過刷卡進行解鎖，具備設(shè)置門鎖密碼及間接記憶密碼解鎖的特點。

1.3 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊的主要作用是，通過紅外按鍵設(shè)置門鎖密碼，無線遙控進行密碼解鎖等解鎖設(shè)置，具備非接觸、遠程（一定距離內(nèi)）進行門鎖設(shè)密、解密及無線管理門鎖信息等智能優(yōu)點。

1.4 報警電路模塊

報警電路模塊，單片機為主控核心，采用多種方式解鎖，對蜂鳴器進行控制。本電路模塊功能在使用者輸入密碼的錯誤數(shù)目超過預先設(shè)定的警告數(shù)目時，就會呼叫提醒，使蜂鳴器發(fā)出警鈴，并且阻止鍵入，具備報警作用。

1.5 存儲電路模塊

存儲電路模塊的主要作用是在整個門鎖系統(tǒng)掉電時，存儲電路能夠?qū)γ艽a進行存儲。本電路具備在門鎖設(shè)置密碼時，以自動的方式對密碼實施具體存儲，避免因為出現(xiàn)斷電的情況而造成之前所設(shè)密碼出現(xiàn)丟失的情況。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

綜上分析，本章節(jié)基于智能門鎖設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行相應分析，分析過程如下：

2.1 識別解鎖設(shè)計

指紋識別運用AS608指紋模塊，其指紋采集原理是利用光的折射和反射原理，光從底部射向其模塊三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上，根據(jù)折射的角度及反射回去的光線明暗程度，構(gòu)成指紋特征。由于每個人指紋不一樣，構(gòu)成了唯一的特征數(shù)據(jù)，通過對所采集到的指紋圖像的特征數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫中的指紋特征數(shù)據(jù)進行模式匹配，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來鑒別用戶身份。

AS608指紋模塊內(nèi)置有功能強大的DSP芯片，協(xié)同CMOS芯片一起完成工作，CMOS芯片的作用是對指紋進行指紋采集，把人體的指紋信息生成指紋特征并存儲以待調(diào)用匹配。指紋錄入的步驟大致為：掃描指紋信息、將指紋錄入、內(nèi)部處理并生成信息、合成一個指紋信息。采集指紋流程如圖2所示，指紋識別流程如圖3所示。

圖2 采集指紋簡化流程

圖3 識別指紋流程

指紋識別設(shè)計過程中運用到的命令有：錄入指紋圖像指令、圖像生成特征指令等，在模塊處于上電的狀態(tài)下，根據(jù)命令進行設(shè)計，最終實現(xiàn)指紋感應識別。主設(shè)計流程如圖4所示。

2.2 射頻識別模塊設(shè)計

采取RFID-RC522射頻接收模塊，該模塊由卡片閱讀機和天線兩部分組成，使用頻率13.56兆赫茲，可以在多個層面上支持ISO14443A標準。RFID系統(tǒng)具體的工作原理是：信號會從閱讀器當中發(fā)出，然后經(jīng)過編碼，編碼后的信息通過于載波信號上，通過施加相應的頻率，然后對天線加以利用，將信息發(fā)送出去；同時電子標簽能夠?qū)γ}沖信號進行接收，在調(diào)制、解碼以及解密之后，讀取卡內(nèi)相應的電路便能夠?qū)γ}沖信號實施判斷[5]。

圖4 指紋識別解鎖主設(shè)計流程圖

RC522模塊使用MFRC522芯片來構(gòu)建讀卡器電路，模塊可直接與RFID卡片閱讀機配套使用。RC522模塊具有3.3V工作電壓，通過SPI接口，僅用少量導線就能與CPU主板相連接，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和遠程閱讀。

2.3 紅外遙控解鎖模塊設(shè)計

本模塊主要針對遠程控制智能門鎖進行設(shè)置和解鎖工作，通過紅外遙控器編碼和解碼的工作原理，對門鎖進行密碼的設(shè)置及密碼的解碼。紅外遙控器設(shè)備把數(shù)據(jù)與某個特定的頻率“一起工作”，進而對數(shù)據(jù)進行調(diào)制和發(fā)送，以實現(xiàn)信息的傳輸?shù)暮吞幚?。紅外遙控解鎖模塊設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 紅外遙控解鎖模塊設(shè)計流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)計的智能門鎖系統(tǒng)具有指紋識別/解鎖、射頻解鎖以及紅外遙控解鎖等多種解鎖功能，能有效解決門鎖單一解鎖的問題，全過程操作簡單且智能。下面結(jié)合設(shè)計要求主要做密碼解鎖和指紋解鎖的測試。

3.1 密碼解鎖測試

密碼解鎖主要是通過指紋識別方式、射頻門卡解鎖方式、紅外遙控解鎖方式達到智能化門鎖的功能。通過按鍵解鎖、指紋解鎖、密碼增刪、密碼變更以及紅外遙控的實踐結(jié)果顯示，最終系統(tǒng)成功達成智能門鎖系統(tǒng)的效果。與傳統(tǒng)密碼解鎖過程不同的是，在此設(shè)計中，主要通過紅外遙控達到遠距離的解鎖過程。

3.2 指紋解鎖測試

在進行指紋解鎖時，首先進行按鍵解鎖設(shè)置、指紋密碼解鎖測試、射頻門卡測試、紅外遙控解鎖。然后進行密碼增刪處理測試。最后進行掉電數(shù)據(jù)存儲測試、報警情景的測試等。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)完全達到設(shè)計的預期效果，與其他門禁系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具備遠程操控解鎖功能。

第一步：按鍵密碼設(shè)置測試。按照實際功能，測試按鍵模塊以及LCD能否正常工作，由于密碼已初始化，則直接輸入密碼解鎖，解鎖成功，如圖6所示。

圖6 按鍵密碼設(shè)置效果圖

第二步：指紋模塊測試。當指紋經(jīng)過錄入之后，自動存儲到內(nèi)存里，當用指紋開鎖時，系統(tǒng)會自動識別指紋并執(zhí)行解鎖動作，如圖7所示。

圖7 指紋解鎖測試圖

第三步：進行刪除指紋的測試操作。選擇對應的ID指紋號，進行刪除操作，如圖8、圖9所示。

圖8 指紋刪除選擇ID圖

圖9 指紋刪除成功圖

第四步：RFID射頻卡的測試，這一項類似于指紋的操作，也需要先進行卡號錄入識別，才能開鎖，ID卡是非接觸式的，距離3～5 cm即可感應識別。

第五步：解鎖密碼修改測試，需要先進入系統(tǒng)后臺，輸入原解鎖密碼才能執(zhí)行修改操作。

第六步：報警功能測試。當輸入的密碼錯誤大于設(shè)定的最大值時（本設(shè)計設(shè)定值為4次），蜂鳴器示警5 min（時間可以更改）。

第七步：掉電存儲功能測試。將密碼進行更改，然后將其存進AT24C02中，斷開電源后再次上電，按鍵輸入新密碼，開鎖電路能夠正確解鎖，AT24C02可以正確存儲需要的信息，說明該功能正常。

第八步：紅外遙控功能測試。根據(jù)功能要求及實際情況，在進行紅外遙控解鎖測時，遠程進行密碼設(shè)置、更改、解鎖等功能的多次測試，功能正常。

得到以下測試結(jié)果（表1）。

表1 功能測試表

根據(jù)表1測試數(shù)據(jù)得出系統(tǒng)的紅外遙控遠程距離密碼設(shè)置、解鎖、修改密碼、報警功能等功能正常，表明設(shè)計的智能門鎖系統(tǒng)達到設(shè)計要求，達到多方式解鎖、管理門鎖的智能化要求。

4 結(jié)語

針對智能家居興起的現(xiàn)狀，設(shè)計的多功能解鎖的智能門鎖系統(tǒng)具有指紋解鎖、門卡解鎖、紅外遙控解鎖等功能，達到智能化效果，該智能門鎖系統(tǒng)能滿足特定場合的需要，提高門鎖安全性，具有一定的推廣價值。