基于藍(lán)牙的智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)門鎖的安全性、可靠性和智能化，采用STC15F2K32S2單-片機(jī)、藍(lán)牙串口模塊、驅(qū)動電機(jī)、限位開關(guān)、電流監(jiān)測模塊等設(shè)計(jì)了一種無線智能門鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)和智能手機(jī)等智能藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對門鎖的開鎖、閉鎖、參數(shù)設(shè)置等操作，并采用密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密等方式保證系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作方便，完全達(dá)到了實(shí)際使用要求。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.coni.cn/article/273270.htm

關(guān)鍵詞：STC15F2K32S2單-片機(jī)；藍(lán)牙串口模塊；限位開關(guān)；ACS712ELC；Android

DOI：1 0.396 9/j.issn.1 005-5517.2 01 5.4.011

引言

門鎖是與人們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最為緊密的物品之一。隨著社會、科技、文化的進(jìn)步，人們對門鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來越高，傳統(tǒng)機(jī)械門鎖的安全性已經(jīng)越來越不能滿足人們的需求，傳統(tǒng)機(jī)械門鎖正在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，技術(shù)及科技含量較高的智能鎖具，如密碼鎖、IC卡鎖、指紋鎖、無線遙控鎖等以其智能化和成熟的技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)鎖具。

1 系統(tǒng)概述

為了增強(qiáng)門鎖的安全性、可靠性，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙的無線智能門鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可配合傳統(tǒng)機(jī)械鎖共同使用，該系統(tǒng)主要由門鎖控制系統(tǒng)和智能移動設(shè)備藍(lán)牙客戶端軟件兩部分構(gòu)成，門鎖控制系統(tǒng)由STC15F2K32S2單片機(jī)、藍(lán)牙串口模塊、繼電器、驅(qū)動電機(jī)、鎖閂、限位開關(guān)等模塊組成，藍(lán)牙串口模塊以從模式進(jìn)行廣播，等待智能移動設(shè)備作為主設(shè)備進(jìn)行掃描、地址配對以及密碼驗(yàn)證等，完成密碼驗(yàn)證后，雙方以3DES加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。STC15單片機(jī)對藍(lán)牙串口模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密或者解密，當(dāng)收到合法的開鎖或閉鎖命令后，STC15單片機(jī)控制繼電器使電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，帶動門閂完成開鎖、閉鎖操作，并通過監(jiān)測限位開關(guān)和電流傳感器來保證操作的準(zhǔn)確性和安全性。設(shè)計(jì)的兩個按鍵方便在屋內(nèi)進(jìn)行開鎖和閉鎖操作，LED燈和蜂鳴器起到提示和報(bào)警作用，霍爾開關(guān)用來檢測門是否關(guān)好。智能移動設(shè)備藍(lán)牙客戶端軟件主要完成系統(tǒng)登錄、藍(lán)牙地址配對、密碼驗(yàn)證，數(shù)據(jù)加密、解密、開鎖、閉鎖命令、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要手段，并可對按鍵操作實(shí)現(xiàn)屏蔽。該系統(tǒng)無需機(jī)械鑰匙，非接觸、無磨損，并具有三道安全技術(shù)保障，批量投入使用，將會產(chǎn)生較好的社會效益。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的STC15F2K32S2單片機(jī)、繼電器和ACS712ELC芯片等模塊的工作電壓都是SV，SV電源需要的功率較大，電源設(shè)計(jì)采用了效率更高、功能更強(qiáng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576-5.0。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。電機(jī)的工作的電壓是12V，由電源變壓器和備用蓄電池通過12供電。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲Fl和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護(hù)電路，當(dāng)因其他原因致使輸出電壓超過5.3V以上時(shí)，D2導(dǎo)通，從而使自恢復(fù)保險(xiǎn)絲Fl斷開，起到自動保護(hù)作用。D4、D5是系統(tǒng)的LED狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.2系統(tǒng)主控電路接口設(shè)計(jì)

綜合成本、性能等各方面考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司謾計(jì)生產(chǎn)的SOP28封裝單片機(jī)STC15F2K32S2，它是單機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場合[3]。它內(nèi)部具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用該單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM可以存儲系統(tǒng)密碼、配對地址、設(shè)置參數(shù)等，無需再外擴(kuò)存儲器。

系統(tǒng)采用的藍(lán)牙串口模塊是FBT-06， FBT-06是小尺寸藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，它內(nèi)置PCB天線，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，專為嵌入式智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能。藍(lán)牙模塊的EN使能端和單片機(jī)的P3.4相連接，高電平有效；模塊工作電壓為3.3V～6V，此處SV供電即可：通過STC15單片機(jī)的串口把AT指令發(fā)給藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串行數(shù)據(jù)無線透傳：藍(lán)牙串口模塊的STATE端口和單片機(jī)的P3.2相連接，單片機(jī)通過檢測該端口可以了解藍(lán)牙模塊的工作狀態(tài)，P3.2端口為高電平時(shí)表示藍(lán)牙設(shè)備連接成功。

STC15單片機(jī)自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器可以完成對電流傳感器信號VOUT的采集、轉(zhuǎn)換功能，通過和設(shè)定的電流閥值比較來保證電機(jī)和系統(tǒng)的安全。按鍵Kl、K2可以在屋內(nèi)實(shí)現(xiàn)手動開鎖、閉鎖等功能，并且按鍵Kl、K2的功能可通過手機(jī)藍(lán)牙客戶端軟件進(jìn)行屏蔽，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的安全性、方便性和靈活性。限位開關(guān)用來檢測鎖閂在開鎖、閉鎖時(shí)是否運(yùn)行到位，一旦STC15單片機(jī)檢測到P2.4或P2.5為低電平，則說明鎖閂運(yùn)行到位，并立即控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，達(dá)到安全保護(hù)目的。U7是霍爾開關(guān)傳感器，如果門沒有關(guān)好，它會向單片機(jī)輸出高電平信號，單片機(jī)則控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示。系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.3 鎖閂控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

鎖閂由直流電機(jī)通過齒輪帶動，考慮到直流電機(jī)的工作電壓較高，STC15單片機(jī)驅(qū)動繼電器采用了光耦隔離。當(dāng)光耦U4導(dǎo)通、U5截止時(shí)，繼電器JDQ1的1引腳接+12V，而繼電器JD Q2的1引腳接地，此時(shí)電機(jī)Ml實(shí)現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動，并帶動鎖閂鎖門；當(dāng)光耦U4截止、U5導(dǎo)通時(shí)則電機(jī)Ml反向轉(zhuǎn)動，并帶動鎖閂開門；而當(dāng)光耦U4、U5同時(shí)截止或?qū)〞r(shí)，電機(jī)因其兩端的電壓相同而停止轉(zhuǎn)動。為防止電機(jī)因所受阻力過大而損壞，采用了電機(jī)電流監(jiān)測傳感器ACS712ELCTR-05B，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，它的最大工作電流是±SA，靈敏度是185mV/A。ACS712ELC具有高絕緣電壓、單電源操作、極低內(nèi)部傳導(dǎo)電阻等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的精密解決方案。ACS712ELC電流傳感器監(jiān)測通過電機(jī)的電流值，并傳遞給STC15單片機(jī)實(shí)時(shí)處理，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大到一定程度，通過電機(jī)的電流值超過預(yù)先設(shè)定閥值時(shí)，STC15單片機(jī)立即控制繼電器使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，從而起到安全保護(hù)作用。其中，D6和D7是保護(hù)二極管，C6-C9是高壓電容，可以起到保護(hù)電路的作用。鎖閂電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括門鎖控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和智能移動設(shè)備藍(lán)牙客戶端軟件設(shè)計(jì)兩部分，門鎖控制系統(tǒng)軟件在Keil C開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫，智能移動設(shè)備藍(lán)牙客戶端軟件主要在Android開發(fā)環(huán)境下用Java語言編寫。

門鎖控制系統(tǒng)上電以后，STC15單片機(jī)從EEPROM中讀取系統(tǒng)的參數(shù)信息并完成系統(tǒng)的初始化工作，這包括初始化藍(lán)牙串口模塊的工作方式、初始化門鎖狀態(tài)、初始化ADC、初始化IO口等操作，STC15單片機(jī)通過串口把配對地址、驗(yàn)證密碼等參數(shù)信息發(fā)給藍(lán)牙串口模塊，并把藍(lán)牙串口模塊設(shè)置為從模式，等待主設(shè)備掃描、地址配對等，而門鎖狀態(tài)則是通過限位開關(guān)進(jìn)行檢測的。完成系統(tǒng)初始化操作之后，STC15單片機(jī)檢測按鍵按下標(biāo)志位KeyFlag是否為1，如果為1并且按鍵沒有被屏蔽、則執(zhí)行相應(yīng)的開鎖、閉鎖操作。按鍵Kl和K2是在中斷中進(jìn)行檢測的，當(dāng)有Kl或K2按下時(shí)KeyFlag為1，如果按鍵沒有被軟件屏蔽，則程序在執(zhí)行完相應(yīng)的開鎖、閉鎖操作后把KeyFlag的值清零。ValidFlag是按鍵屏蔽標(biāo)志位，ValidFlag=l時(shí)將會屏蔽Kl、K2的開鎖、閉鎖操作，這就保證了即使在屋內(nèi)要通過按鍵開鎖也有一定的安全條件限制。

當(dāng)有智能移動藍(lán)牙設(shè)備作為主設(shè)備通過密碼驗(yàn)證后，雙方以3DES加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)接收采用串口中斷方式，數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)長度，命令字、數(shù)據(jù)和一個字節(jié)的校驗(yàn)碼，當(dāng)串口中斷服務(wù)子程序接收到長度和校驗(yàn)都符合要求的數(shù)據(jù)后把CMDValid標(biāo)志位設(shè)置為1，然后在主函數(shù)中進(jìn)行3DES解密，并從解密后的數(shù)據(jù)中分離出命令碼，根據(jù)命令碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，如開鎖、閉鎖、參數(shù)設(shè)置等。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

基于Android系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計(jì)是采用Android系統(tǒng)提供的藍(lán)牙API實(shí)現(xiàn)的，主要用到了以下幾個類：BluetoothAdapter類、BluetoothDevice類、Bluetoothsocket類、Blueboothserversocket類、Bluetoothclass類。Android系統(tǒng)提供的藍(lán)牙API可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，兩個藍(lán)牙設(shè)備的通信主要包括了四個步驟：設(shè)置藍(lán)牙設(shè)備、尋找局域網(wǎng)內(nèi)可能或者匹配的設(shè)備、連接設(shè)備和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過調(diào)用靜態(tài)方法getDefaultAdapter（）獲取藍(lán)牙適配器BluetoothAdapter就可以啟動藍(lán)牙功能，使用BluetoothAdapter類里的方法來實(shí)現(xiàn)掃描查找藍(lán)牙設(shè)備，這需要注冊一個BroadcastReceiver來接受設(shè)備掃描到的信息，當(dāng)點(diǎn)擊查詢到的藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，就能獲取到該藍(lán)牙的MAC地址，通過MAC地址就能實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的連接。藍(lán)牙設(shè)備的連接如下：

BluetoothDevice device= intent.getParcelableExtra（BluetoothDevice.EXTRA一DEVICE），

BluetoothSocket socket= device.createRfe ommSo cketTo ServiceRecord （uuid），∥固定的uuid

socket.connect（），

藍(lán)牙設(shè)備連接成功后就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過流的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙串口模塊、STC15單片機(jī)在中斷服務(wù)子程序中讀取到完整的數(shù)據(jù)包后，分離出命令碼，根據(jù)命令碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)對門鎖系統(tǒng)的控制或設(shè)置。

OutputStream os=socket.getOutputStream（）； ∥向藍(lán)牙串口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)

InptuStream is=socket.getInptuStream（）， ∥從藍(lán)牙串口模塊接收數(shù)據(jù)

打開Android系統(tǒng)客戶端先要輸入賬號和密碼，登陸成功后才能進(jìn)入主控界面，用戶可以修改密碼，該密碼是保存在手機(jī)文件中的。進(jìn)入主控頁面點(diǎn)擊“手機(jī)連接藍(lán)牙門鎖”就會搜尋在附近能檢測到的藍(lán)牙設(shè)備，如果藍(lán)牙門鎖在Android客戶端能接收到的范圍內(nèi)就能發(fā)現(xiàn)這個藍(lán)牙設(shè)備，點(diǎn)擊該設(shè)備會提示輸入藍(lán)牙的配對密碼，密碼輸入正確就可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊和手機(jī)客戶端的連接及數(shù)據(jù)通訊了。基于Android系統(tǒng)客戶端軟件測試界面如圖6所示。

4 結(jié)論

以STC15F2K32S2單片機(jī)和藍(lán)牙串口模塊為核心，并擴(kuò)展繼電器、電機(jī)、鎖閂電流監(jiān)測模塊等設(shè)計(jì)的無線智能門鎖控制系統(tǒng)無需機(jī)械鑰匙，非接觸、無磨損，通過智能手機(jī)等智能藍(lán)牙設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對門鎖的開鎖、閉鎖、報(bào)警提示、參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互操作，并采用密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密等方式保證系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)安全性高、操作簡便、成本低廉，并具有很高的實(shí)用價(jià)值。