“芝麻開門”智能鎖設(shè)計(jì)

張萍，崔旺，劉曉冬，宋曉寧，梁冀

（河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

“芝麻開門”智能鎖設(shè)計(jì)

張萍，崔旺，劉曉冬，宋曉寧，梁冀

（河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

設(shè)計(jì)的“芝麻開門”智能鎖，是基于HT66FU50單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的智能解鎖裝置．該設(shè)計(jì)近程解鎖采用語音識別模塊，將語音信息輸入到主控芯片比對分析，正確則啟動步進(jìn)電機(jī)解鎖，并輔以面部識別提高識別正確率．遠(yuǎn)程解鎖是通過判斷GSM接收到的短信與預(yù)定短信是否一致，一致則啟動解鎖，如短信錯誤或強(qiáng)加外力則發(fā)報(bào)警短信．本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于成本低、實(shí)用性強(qiáng)、靈活的外圍功能的擴(kuò)展電路．

GSM模塊；語音識別；HT66FU 50單片機(jī)；智能鎖

當(dāng)今時代科技飛速發(fā)展，智能家居已成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)．隨著一系列智能家居系統(tǒng)的飛速發(fā)展，未來3～5年智能鎖將迎來井噴式發(fā)展．國外發(fā)達(dá)國家的智能鎖應(yīng)用比較廣泛，美國智能鎖占總銷售額的60%左右，日本70%，韓國更是達(dá)到了90%，我國鎖具行業(yè)2012年銷售額達(dá)到600億元，而智能鎖僅占總銷售額的5%左右，使用最多的仍是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖，酒店賓館等行業(yè)大多使用卡式感應(yīng)鎖，而智能鎖一直受安全和成本問題所限未能廣泛應(yīng)用，還是概念產(chǎn)品，尚未得到推廣[1-2]．因此開展智能鎖的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值．

國內(nèi)最近研究中有關(guān)于語音控制的智能鎖，除了具有電子鎖的功能外，還引入了智能化管理、語音分析等功能，不僅提高了電子鎖的安全性和可靠性，還巧妙地將語音識別技術(shù)的聲控功能引入到鎖具中，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷語音控制[3-4]．

此外還有通過NFC技術(shù)加載到手機(jī)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)開鎖——把手機(jī)當(dāng)作鑰匙使用．Lockitron就是這樣的設(shè)計(jì)，僅需安裝在現(xiàn)有的房門鎖上，幾乎可以安裝在任何一種標(biāo)準(zhǔn)門栓風(fēng)格的鎖上（約占美國65%的市場）．除了安裝快捷外，再次進(jìn)入房間的用戶只需要求“是”就能打開房門．該設(shè)備的最大優(yōu)勢是利用Wi-Fi與互聯(lián)網(wǎng)隨時連接，用戶就可以在世界的任何地方遙控開鎖．對于帶有NFC安卓用戶來說，只要將手機(jī)在Lockitron前搖一下就能智能開鎖，其它類型的手機(jī)可以通過互聯(lián)網(wǎng)開鎖．但由于技術(shù)還不成熟、成本較高等因素尚未得到廣泛推廣[5-6]．

本文提出的“芝麻開門”智能鎖設(shè)計(jì)，秉承了Lockitron的設(shè)計(jì)理念，將傳感器技術(shù)、語音識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GSM模塊遠(yuǎn)程控制技術(shù)等多種技術(shù)手段融入智能鎖的設(shè)計(jì)中，集智能、安全、便宜于一身，將兒時的魔法故事推廣到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用．

設(shè)計(jì)思路——使用HT66FU50盛群單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)智能解鎖，近程解鎖采用M-LD3320語音識別模塊，將語音信息輸入到主控芯片比對分析，正確則啟動步進(jìn)電機(jī)解鎖，面部識別模塊補(bǔ)充語音模塊易出現(xiàn)的漏洞，提高識別正確率．遠(yuǎn)程解鎖是通過判斷GSM模塊（華為TC35GTM 900）接收到的短信與預(yù)定短信是否一致，一致則啟動解鎖，如短信錯誤或強(qiáng)加外力則發(fā)報(bào)警短信．本智能鎖為用戶提供3次輸入機(jī)會，如前兩次輸入有誤才發(fā)提示信息，避免誤操作導(dǎo)致的閉鎖；如遇停電導(dǎo)致無法智能開鎖，本智能鎖的應(yīng)急預(yù)案是保留機(jī)械鎖的功能，預(yù)留鎖眼配備鑰匙的方式開鎖．本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于成本低、實(shí)用性強(qiáng)、靈活的外圍功能的擴(kuò)展電路．

1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware Structure

硬件電路主要包括主控芯片和語音識別兩部分．語音信息進(jìn)入語音識別部分后，將處理過的數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)街骺刂破鳎?jīng)過處理后，發(fā)送命令數(shù)據(jù)可用于擴(kuò)展外圍串行設(shè)備，如語音合成模塊等．利用此語音合成模塊識別語音內(nèi)容，將識別內(nèi)容與提前錄入內(nèi)容進(jìn)行比對，正確則由單片機(jī)輸出高電平控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)解鎖．

本設(shè)計(jì)提供門衛(wèi)+警察雙重報(bào)警功能，若接收到的短信錯誤或強(qiáng)加外力作用，則發(fā)出報(bào)警聲，并給房主發(fā)短信提醒，還可以設(shè)置成直接撥打110報(bào)警，硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1，主控芯片和GSM等模塊的硬件接線圖見圖2．

1.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)以盛群單片機(jī)HT66FU50（見圖3）為控制核心，該單片機(jī)是一款A(yù)/D型具有8位高性能精簡指令集的Flash單片機(jī)：包含一個RAM數(shù)據(jù)存儲器和一個可用于存儲序號、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等非易失性數(shù)據(jù)的EEPROM存儲器；內(nèi)含UART模塊，支持單片機(jī)間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，低成本PC和外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)連接，便攜式和電池供電設(shè)備間的通信等[5-6]．

主控芯片負(fù)責(zé)分析輸入信號并發(fā)出控制指令．語音識別模塊識別語音后輸入到主控芯片進(jìn)行分析比對，如果相同則輸出高電平，啟動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行拖動，實(shí)現(xiàn)開鎖；對GSM模塊收到的短信進(jìn)行比對分析，如果與約定一致，則啟動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行拖動，實(shí)現(xiàn)開鎖．

1.2 語音識別模塊

圖2 主控芯片與語音、GSM及步進(jìn)電機(jī)模塊的接口連接Fig.2 Interfaceconnection ofvoicemodule,GSMmoduleand step

本設(shè)計(jì)選擇使用廣泛、高信價(jià)比的M-LD 3320語音識別模塊，模塊將LD3320芯片與必要的容阻件集成在一塊PCB上，芯片管腳通過2*20的排針引出，便于在面包板或標(biāo)準(zhǔn)DIP40插座等設(shè)備上對LD3320芯片進(jìn)行快速開發(fā)[7-8]．直接將主控MCU的管腳連接到M-LD3320模塊的排針上，給M-LD3320模塊提供3.3V電源和合適的晶振信號，就可以在主控MCU中編寫程序運(yùn)行LD3320的語音識別功能．

語音識別包括2個階段：訓(xùn)練和識別．

1）訓(xùn)練階段：通過用戶輸入若干次訓(xùn)練語音，經(jīng)過預(yù)處理和特征提取后得到特征矢量參數(shù)，通過特征建模達(dá)到建立語音參考模型庫的目的．

2）識別階段：將輸入語音的特征矢量參數(shù)和模型庫中的參考模型進(jìn)行相似性比較，把相似性最高的輸入特征矢量作為識別結(jié)果輸出，實(shí)現(xiàn)語音識別．

1.3 面部識別模塊

本設(shè)計(jì)近距離解鎖除了使用語音識別，還設(shè)計(jì)了安全輔助模塊——面部識別，用于補(bǔ)充語音模塊易出現(xiàn)的漏洞，提高識別正確率，做到真正的安全．通過攝像頭獲取人面部最重要的三維特征（人臉的突起部位，眉骨、雙眼、鼻和嘴等在五官輪廓中的距離、位置、角度和大小），計(jì)算出它們的幾何特征量，再與模板庫中的人像進(jìn)行對比．

1.4 GSM-TC35模塊

本設(shè)計(jì)選用的GSM模塊是華為公司的TC35GTM 900C，用于遠(yuǎn)程解鎖．TC35是一款EGSM 900/GSM 1800雙頻高度集成的GSM模塊，系統(tǒng)集成性好，具有RS232數(shù)據(jù)接口，集射頻電路和基帶于一體，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供了快速、安全、可靠的傳輸，便于應(yīng)用開發(fā)和設(shè)計(jì)．

GTM 900模塊有AT命令集接口，利用AT指令可完成控制GSM模塊進(jìn)行SMS通訊的所有流程．每個AT指令都是以“AT+”開頭，以回車結(jié)尾．在AT指令中還包括以下控制符：結(jié)束符（用表示），十六進(jìn)制為Ox0D，發(fā)送符（用<‘Z>表示），十六進(jìn)制為Ox1A．

圖3 主控芯片外觀圖Fig.3 Appearance ofmain control chip

發(fā)送短消息常用Text和PDU模式．Text模式發(fā)送及接收到的數(shù)據(jù)均以ASCII碼的形式表示，優(yōu)點(diǎn)是代碼簡單、容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是只支持傳送英文及數(shù)字信息．而PDU模式支持中文/英文短信，但內(nèi)容一旦編好就不能改變，為了適應(yīng)信息內(nèi)容能夠隨時改變，本設(shè)計(jì)采用TEXT模式的SMS．

常見的AT命令功能如表1所示[9-10]．

需要注意的幾個問題：

1）所有AT指令的指令符號、常數(shù)、PDU數(shù)據(jù)包等都是以ASCII編碼形式發(fā)送的．

2）單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送每一條指令后，必須以回車符（0DH）作為該指令的結(jié)束，若沒有這個回車符，GSM模塊將不識別這條指令．

1.5 步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)．每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）．當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一次循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距．

本設(shè)計(jì)采用減速永磁步進(jìn)電動機(jī)35BYJ46（外形見圖4），供電電壓是12V，4相，相電阻120，步距角7.5/85.25，通過高低電平對步進(jìn)電機(jī)拖動控制，實(shí)現(xiàn)智能開鎖．

表1 與SMS有關(guān)的AT指令Tab.1 AT instruction related w ith SMS

圖4 永磁步進(jìn)電動機(jī)35BYJ46外形圖Fig.4 Appearance of permanentmagnetstepmotor

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計(jì)采用的編程環(huán)境是HOPE3000 for EIC 300V101 Install.exe，通過在工程中設(shè)置MCU類型（選中映射文件復(fù)選框），即可生成燒寫到單片機(jī)中的.MAP文件．

仿真器是由M 1001D、D1003C和P1001B 3層板組成，底層MEV Board:M 1001D，中間DEV Board: D1003C，頂層PEV Board:P1001B，程序燒寫器是EIC-300，包裝內(nèi)包含雙排12針、排線1根．

2.2 流程圖

軟件流程圖見圖5所示．系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，采集初始語音信息及設(shè)置短信密碼，即：驗(yàn)證開鎖是否正確所需的短信內(nèi)容．接下來選擇開鎖模式，本設(shè)計(jì)提供語音識別和短信識別開鎖兩種模式，用戶可根據(jù)需要選擇開鎖方式：

方式1：語音識別開鎖——用戶在按下開鎖按鈕的狀態(tài)下，正視前方（完成面部識別）大聲說出5 s預(yù)定語音信息，即可實(shí)現(xiàn)“芝麻開門”．

方式2：短信識別開鎖——用戶只需編輯短信密碼發(fā)送至智能鎖即可完成開鎖．

圖5 軟件流程圖Fig.5 Program flow figure

2.3 應(yīng)急預(yù)案

考慮到使用過程中可能遇到的兩種情況，本設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案：

1）避免用戶誤操作閉鎖——智能鎖為用戶提供3次輸錯機(jī)會，第2次輸入有誤時會發(fā)提示信息（近程語音提示、遠(yuǎn)程短信提醒），提醒用戶如再次輸錯則導(dǎo)致閉鎖，一旦輸入失敗3次，則判定為外加強(qiáng)力開鎖，發(fā)出報(bào)警信號，并通過短信及時通知用戶．

2）停電無法智能開鎖——本設(shè)計(jì)提供了機(jī)械鎖的鎖眼功能，配備鑰匙的傳統(tǒng)開鎖方式（見實(shí)物圖6）．

3 結(jié)論與展望

“芝麻開門”智能鎖將語音識別開鎖和GSM遠(yuǎn)程開鎖有機(jī)結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了多功能、人性化、保障安全的服務(wù)，具有靈活的外圍功能的擴(kuò)展電路，有著很好的應(yīng)用前景[7-8]，實(shí)物見圖6．

本設(shè)計(jì)的主要特色在于：

1）人鎖交互系統(tǒng)——遠(yuǎn)程短信控制和近距離語音識別解鎖，更加人性化．此外，稍作改進(jìn)還可融入智能家居，實(shí)現(xiàn)遙控器開鎖．

2）門衛(wèi)警察雙服務(wù)——如遇強(qiáng)加外力作用，發(fā)報(bào)警聲，并給房主發(fā)短信提醒；還可以設(shè)置成為直接撥打110報(bào)警，雙重保障更加安全．

3）應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)——協(xié)助用戶解決使用過程中可能遇到的情況，提供良好的使用體驗(yàn)．

4）超高性價(jià)比——本設(shè)計(jì)是在機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，其他模塊原材料豐富且價(jià)格低廉，如果實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)成本將進(jìn)一步壓縮．

下一步的研究計(jì)劃是完善以下3方面功能：

1）語音提示功能——在語音驗(yàn)證成功和短信息發(fā)送成功后等情況下進(jìn)行相應(yīng)的語音提示，提供更好的人機(jī)交互性；

2）加密保護(hù)隱私功能——擬加入密碼和指紋識別解鎖；

3）進(jìn)一步提高安全性——如應(yīng)用在有備用電源的酒店或高檔社區(qū)，擬取消機(jī)械鎖的功能以提高安全性；如沒有備用電源，擬增加個應(yīng)急電源．

圖6 實(shí)物圖Fig.6 Physicalobject

[1]莫暢峰，張興敢．新型數(shù)碼防盜電子機(jī)械鎖的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．電子測量技術(shù)，2008，31（1）：63-65．

[2]孫長國，劉志宏，嚴(yán)代彪．基于MSP430單片機(jī)的無線智能電子鎖及組網(wǎng)技術(shù)研究[J]．機(jī)械與電子，2011（8）：35-37．

[3]房大偉，孫曉冬，馬青玉，等．基于PIC單片機(jī)的智能鎖芯設(shè)計(jì)[J]．南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2013，13（1）：25-29．

[4]曾輝，謝森林，董曉慶．一種新型語音識別智能鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34（3）：38-42．

[5]陳楚坪，曹祥，鞏鐸．模糊控制的健康度檢測儀[J]．電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)版，2014（4）：1．

[6]鄭和，蔣勤．基于HT66FU50單片機(jī)的個人衛(wèi)星定位終端的設(shè)計(jì)[J]．價(jià)值工程，2013（23）：180．

[7]金哲誠，聞新．基于RSC-300的一種智能語音密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，26（3）：103-105．

[8]徐子豪，張騰飛．基于語音識別和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．2012（1）：15-20．

[9]葉衛(wèi)，胡俊達(dá)．基于TC35iGSM模塊的短信息首發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．測試測量技術(shù)，2008，5（27）：27-29．

[10]孫丘偉，余臻．基于GSM的短信報(bào)警收發(fā)平臺設(shè)計(jì)[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，9（36）：46-48．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

“Open,sesame“—Design of intelligent lock

ZHANG Ping，CUIWang，LIU Xiaodong，SONG Xiaoning，LIANG Ji

(Schoolof ControlScienceand Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

An intelligent lock named“open,sesame“isdesigned.Thisdevicewasbased onGTM 900 single chipmicrocomputer to unlock intelligently by controlling steppermotor.Short-rangeunlocking adoptsvoice recognitionmodule to transmitvoice information formain chip,if correct then to control steppermotor to unlock,and face recognition assists in improving recognition accuracy.Long-range unlocking is to judge

message by GSM modulewith scheduled message:if uniform then to unlock,ifw rong or imposed by force then to send alarm message.The device has such advantages of low cost,high practicability and flexible expansion of the circuit.

GSM module;voice recognition;GTM 900 single chip M icrocomputer;intelligent lock

TP391

A

1007-2373(2015)02-0020-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.005

2014-12-23

國家自然科學(xué)基金（51207043）；河北省自然科學(xué)基金（E2013202133）

張萍（1979-），女（漢族），副教授．

數(shù)字出版日期：2015-04-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1054.009.htm l