高適配性無(wú)線智能貼片鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳小安，宋楠，陳懋仁，丁元?jiǎng)祝菊讉?/p>

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，210088）

智能鎖是近幾年隨著電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，它可以通過(guò)鍵盤、IC 卡、指紋識(shí)別或其他感應(yīng)方式開(kāi)啟，使用方便，不僅能有效地防范技術(shù)性開(kāi)鎖，而且通過(guò)軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)智能管理，同時(shí)電子鎖的互開(kāi)率遠(yuǎn)低于機(jī)械鎖，因此被廣泛應(yīng)用于賓館、酒店、停車場(chǎng)、公共儲(chǔ)物柜等公共場(chǎng)合。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電子鎖存在以下兩個(gè)問(wèn)題∶(1)電子鎖采用市電供電，用戶需要針對(duì)它進(jìn)行專門的電路布線以確保電子鎖的正常工作，因此普通家庭用戶難以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷安裝；(2)若老式小區(qū)的居民需要換鎖，需要大動(dòng)干戈拆卸鎖，操作苦難，難于更新。

本系統(tǒng)在保留機(jī)械鎖功能與外觀尺寸的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不用鑰匙即可開(kāi)鎖的操作，即使用手機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)鎖。鑰匙的識(shí)別和管理功能、引入了現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程報(bào)警功能，并且通過(guò)電子技術(shù)解決了機(jī)械鎖芯高互開(kāi)率的問(wèn)題，利用機(jī)械鎖芯功能消除了普通電子鎖芯掉電后處于常開(kāi)狀態(tài)的安全隱患。貼片鎖利用單片機(jī)的低功耗電壓的特性，將系統(tǒng)工作電壓降至5V，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的供電，無(wú)需專門的電路布線。用戶無(wú)需拆卸門鎖即可簡(jiǎn)便快捷地對(duì)普通機(jī)械鎖進(jìn)行升級(jí)替換。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1 無(wú)線智能貼片鎖系統(tǒng)框圖

貼片鎖的工作原理：用戶通過(guò)手機(jī)APP應(yīng)用程序，連接安裝在貼片鎖的Wi—Fi模塊后，若發(fā)出開(kāi)鎖或者關(guān)鎖的指令，Wi—Fi模塊接收到信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而使電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到開(kāi)鎖的目的。圖1所示為無(wú)線智能貼片鎖系統(tǒng)框圖。其中電流檢測(cè)模塊是為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力道過(guò)大而使鎖轉(zhuǎn)壞而設(shè)計(jì)的模塊，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后，我們將電流閥值設(shè)置在0.3A，若電流大于此閥值，電流檢測(cè)模塊會(huì)立即使電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊斷電，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)包括兩部分內(nèi)容，一是基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP，二是單片機(jī)控制端程序。

手機(jī)APP起到為用戶與鎖之間橋梁的作用。安卓手機(jī)在智能鎖Wi—Fi覆蓋范圍內(nèi)建立Wi—Fi連接后，可與智能鎖Wi—Fi模塊建立唯一、可靠、穩(wěn)定、安全的Socket連接，并通過(guò)Socket連接傳輸可靠安全的數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示。

本應(yīng)用是由Java語(yǔ)言編寫(xiě)的，Android SDK編譯的，安卓手機(jī)安裝的APP。本應(yīng)用通過(guò)安卓手機(jī)具備的Wi—Fi模塊，將設(shè)備與智能鎖硬件具備的Wi—Fi模塊建立Wi—Fi連接后，即可正常使用本APP。在智能鎖硬件中通過(guò)AT指令集預(yù)設(shè)可以建立Socket連接的IP地址與PORT端口號(hào)。在APP中分別鍵入后，通過(guò)RxAndroid異步加載數(shù)據(jù)，完成登錄功能。登錄后，在主頁(yè)面創(chuàng)建后建立Socket連接，智能鎖應(yīng)用界面通過(guò)監(jiān)聽(tīng)器響應(yīng)點(diǎn)擊事件，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至緩存區(qū)。Socket獲取緩存區(qū)的內(nèi)容，從Wi—Fi模塊發(fā)出初始化Socket連接時(shí)，Socket連接獲取輸入輸出流中的內(nèi)容并通過(guò)RxAndroid異步控制，完成鎖的開(kāi)關(guān)操作。

圖2 數(shù)據(jù)流程圖

單片機(jī)采用STC90C516D+來(lái)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，程序中調(diào)用AT指令集控制Wi—Fi模塊的啟動(dòng)與接收信號(hào)，從而使單片機(jī)能夠接受到手機(jī)發(fā)送的信號(hào)。并通過(guò)控制IO口的高低電平來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，程序精簡(jiǎn)，順序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線智能貼片鎖的主要功能分為逆時(shí)針開(kāi)門與順時(shí)針關(guān)門兩種。

無(wú)線智能貼片鎖由四節(jié)鋰電池串聯(lián)供電，主體由ESP8266與STC90C516D+單片機(jī)、L298N驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)和電流檢測(cè)模塊。ESP8266接收手機(jī)傳輸?shù)拇谛盘?hào)控制單片機(jī)上電掉電，L298N用于控制直流電機(jī)順逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)門鎖扭矩，當(dāng)電流大于正常開(kāi)鎖電流時(shí)，電機(jī)斷電，待重新收到上電信號(hào)時(shí)電機(jī)恢復(fù)工作，以及確保電路整體處于安全電流下。

3.1 L298N驅(qū)動(dòng)電路

L298N驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖如圖3所示，L298N管腳功能表如表1所示。

圖3 L298N驅(qū)動(dòng)圖

表1 L298N管腳功能表

實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針與順時(shí)針關(guān)門，只需要控制直流電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)行EN端，IN1，IN2電平配置。

3.2 ESP8266 Wi-Fi模塊

ESP8266模塊，每次單片機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，Wi—Fi模塊處于待機(jī)狀態(tài)，單片機(jī)會(huì)向該模塊發(fā)送事先保存好的AT指令，使Wi—Fi模塊處于工作狀態(tài)。ESP8266 Wi—Fi模塊如圖4所示。

圖4 ESP8266 Wi—Fi模塊

3.3 電流檢測(cè)模塊

假設(shè)I2為截止工作電流，I1為正常工作電流。電流檢測(cè)模塊正常工作情況下，當(dāng)被測(cè)電流大于I2，繼電器吸合；當(dāng)被測(cè)電流小于I1，繼電器斷開(kāi)。電流檢測(cè)模塊如圖5所示。

圖5 電流檢測(cè)模塊

3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了圓柱體的結(jié)構(gòu)，在圓柱體的上底面設(shè)計(jì)了一個(gè)正六邊形的凹槽，用來(lái)適配電機(jī)上的正六邊形金屬連接件，從而使電機(jī)能夠穩(wěn)定地傳動(dòng)圓柱體；在圓柱體的下底面設(shè)計(jì)了三種不同長(zhǎng)度、寬度及深度的矩形狀凹槽，每一種矩形凹槽位置都與上底面的正六邊形凹槽的三條對(duì)角線一一對(duì)應(yīng)，從而保證鑰匙的中軸線和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸在一條直線上。因?yàn)槭忻嫔系蔫€匙尺寸各異，所以下底面采用了三種不同的矩形狀凹槽設(shè)計(jì)，這三種不同規(guī)格的矩形狀凹槽可以適配市面上大多數(shù)的機(jī)械鎖鑰匙，提高了裝置的適配性及實(shí)用性。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)械結(jié)構(gòu)

用戶在安裝使用時(shí)無(wú)需對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行專門的供電改造，只需要將此貼片鎖貼在傳統(tǒng)門鎖上即可方便快捷地實(shí)現(xiàn)鎖的升級(jí)替換。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線智能貼片鎖成品進(jìn)行了相應(yīng)的電氣特性測(cè)量。系統(tǒng)正常工作時(shí)工作電壓為5V,待機(jī)時(shí)工作電流為30mA，開(kāi)鎖關(guān)鎖時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電壓為12V，正常工作時(shí)電流不超過(guò)0.1A。

在程序設(shè)計(jì)中，為提高門鎖使用的安全性而增加了電流檢測(cè)裝置，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際測(cè)量時(shí)開(kāi)門時(shí)間約5s。假設(shè)每次正常開(kāi)門時(shí)間為5s，一天開(kāi)門10次，加上系統(tǒng)待機(jī)耗電，與系統(tǒng)配套的鋰電池可工作半年以上。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于STC90C516D+單片機(jī)和Wi—Fi技術(shù)，將傳統(tǒng)機(jī)械鎖與智能貼片鎖結(jié)合，集成并設(shè)計(jì)了一種一體化智能鎖。該鎖和普通機(jī)械鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)基本相同，從機(jī)械和電子兩個(gè)方面提高了鎖具的安全防范性能，同時(shí)增強(qiáng)了裝置的應(yīng)用靈活度和擴(kuò)展性。本文從應(yīng)用需求和設(shè)計(jì)理念出發(fā)，介紹了無(wú)線智能貼片鎖的機(jī)械設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制以及Wi—Fi模塊的基本原理，手機(jī)APP的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并給出了主電路重要部分的硬件結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程，成品尺寸測(cè)量與實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明無(wú)線智能貼片鎖有低功耗的電路系統(tǒng)，工作穩(wěn)定可靠，為傳統(tǒng)機(jī)械鎖的升級(jí)提供了一種新方案。