基于藍牙通信的智能鎖的設計

韓偉 國際關系學院

1 智能鎖的研究內容

基于藍牙通信的智能鎖系統是基于ARM Cortex-M3內核嵌入式處理器和藍牙串口傳輸協議，利用藍牙傳輸控制來實現一種體積小、功耗低、控制靈活、壽命長的智能鎖系統。該系統結合了單片機嵌入式技術和無線傳輸技術，利用手機終端來對鎖頭的開關進行控制，操作簡單，應用廣泛，過程安全。

該設計選用STM32單片機作為系統主控芯片，由藍牙傳輸模塊、鎖終端及繼電器模塊、升壓模塊、手機APP終端模塊等組成。藍牙模塊采用HC-05主從機一體藍牙模塊來進行單片機和手機終端的通信；鎖終端采用電子門禁12V/24V小型電控鎖；繼電器模塊采用1路5V繼電器模塊帶光耦隔離繼電器；升壓模塊采用一款4A開關電流的高性能升壓（BOOST）模塊。整個系統成本低、穩定性高、耗電少。

在使用時，可首先對藍牙模塊進行配置，配置好它的波特率和連接密碼，電源供電后，可用上位機軟件進行連接，首先輸入藍牙密碼進行連接，連接完成后，輸入特定指令，上位機發送給藍牙模塊，藍牙模塊再將數據發送給單片機，單片機經過運算處理后通過IO引腳來控制繼電器的開斷，從而控制鎖的開關。同時命令執行完成后，通過藍牙傳輸向上位機返回執行操作的信息。用戶交互界面較為友好、系統穩定、耗電量低、安全性高、便捷性高，可滿足用戶的需要。

2 智能鎖的整體設計

2.1 整體架構

基于藍牙通信的智能鎖的總體設計由五大模塊組成：單片機最小系統模塊、藍牙模塊、繼電器模塊、升壓模塊、上位機模塊。

其總體設計可分為硬件設計和軟件設計：硬件設計主要是各功能模塊的選取和電路圖的設計和連接，軟件設計主要是單片機程序的編寫和上位機APP程序的編寫。

2.2 系統硬件設計

（1）主控芯片:主控芯片采用STM32系列的STM32F103RCT6單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而專門設計。STM32F103RCT6的內核為ARM 32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，多達80個快速I/O端口，多達3個USART接口，具有睡眠、停機和待機模式，VBAT為RTC和后備寄存器供電。由于該芯片I/O端口和USART接口豐富，工作頻率高，具有很好的實時性，同時功耗極低，芯片工作狀態穩定，抗干擾能力強，故用此芯片。

（2）藍牙模塊：藍牙模塊采用HC-05主從機一體藍牙模塊，當藍牙設備與藍牙設備配對連接成功后，我們可以忽視藍牙內部的通信協議，直接將將藍牙當做串口用。當建立連接，兩設備共同使用一通道也就是同一個串口，一個設備發送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。HC-05藍牙模塊適用于各種3.3V的單片機系統，模塊可以使用AT指令設置波特率配對、密碼用戶信息等。HC-05模塊是一款高性能的 藍牙串口模塊，可用于各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對，它的波特率范圍4800~1382400，并且模塊兼容5V/3.3V單片機系統。當主從模式兩個藍牙模塊配對成功后，可以簡單的取代以前的串口線通訊的應用 ，更改為無線的藍牙。

（3）繼電器模塊：繼電器模塊采用1路5V繼電器模塊帶光耦隔離繼電器，由高電平觸發，模塊帶光耦隔離，觸發更可靠，更穩定；具有電源和繼電器動作指示，吸和亮，斷開不亮；信號輸入端有高電平信號時，公共端與常開端會導通；繼電器可以直接控制各種設備和負載；有一個常開和一個常閉觸點；繼電器觸點容量：250V 10A（AC）或30V 10A（DC）（理論最大負載能力）。

（4）鎖頭：鎖模塊采用電子門禁12V/24V小型電控鎖，由純銅線圈繞制，體積小巧，質量穩定，經久耐用，使用壽命長達50萬次以上，鎖舌方向可以隨意更改，可選DC12V/DC24V，工作電流：800mA。本模塊內置全銅線圈，通電開鎖，為瞬間通電，耗電省，結構簡單，安裝方便，使用成本低，體積小、重量輕、適用性強。

（5）升壓模塊：于系統供給電壓為5V，而鎖模塊的開啟電壓為DC12V/DC24V,，所以需要使用升壓模塊來對鎖模塊進行供電，本設計升壓模塊采用DSN6009，DSN6009 是一款4A開關電流的高性能升壓（BOOST）模塊。該模塊使用第二代高頻開關技術的XL6009E1為核心芯片，成本低，性能卓越。

2.3 系統軟件設計

（1）單片機總體軟件實現：單片機總體程序的執行流程為：先進性系統的初始化（包括時鐘的初始化、引腳的初始化、繼電器的初始化、串口的初始化）。首先關閉繼電器的開關，然后配置串口的波特率和中斷，然后系統不斷進行循環檢測是否接受到藍牙發送過來的信息，若發送的信息為之前預設命令，則單片機進行一系列處理，改變引腳的電平從而控制繼電器的開關，進而控制鎖頭的開關，若不是，則繼續進行檢測。

（2）Android上位機程序：上位機程序直接使用藍牙串口APP，藍牙串口是藍牙SPP(串口)通信工具，它可以連接任何支持串行端口模式的藍牙設備(如手機、單片機等)。藍牙串口可以搜索藍牙設備，支持藍牙客戶端和藍牙服務器模式，有鍵盤視圖，可以自定義按鍵，可以設置為ASCII或HEX顯示模式等等。

3 結論

本設計以應用為目的，設計了一款符合時代發展潮流的有利于提高人們對家庭安全和便捷需要的一款嵌入式類型產品，本應用涉及的知識廣泛，從底層到高層，需要掌握的有：PCB繪制和原理圖設計、單片機內部結構和外設、Crotex-M3內核、藍牙通信知識、通信協議、C語言、Java語言、Android編程等。

嵌入式及物聯網的蓬勃發展，使以智能鎖為代表的智能家居行業迅速火熱，該設計以STM32單片機為主控芯片，手機APP為終端，藍牙模塊為通信橋梁，是一種具有巨大市場前景的設計。該系統具有很好的實時性和穩定性，隱蔽性強，續航能力強，安全性高，是未來智能家居發展的趨勢之一。

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