基于Arduino的智能鎖系統設計與實現

梁晶 史記征

摘要：隨著物聯網技術的發展，智能化已成為鎖具行業發展的趨勢之一。針對目前智能鎖不支持無線通信、不支持手機APP控制等缺點，提出一種基于藍牙無線模塊的手機控制智能鎖系統。通過手機藍牙控制智能鎖的開關，硬件端的HC-05藍牙模塊作為服務器端，手機藍牙作為客戶端;客戶端采用APPInventor編程語言制作手機APP;硬件端采用Arduino主控板控制，實現了Arduino與藍牙之間通過串口進行通信。實驗結果表明：藍牙智能鎖可以準確接收手機端發送的開、關鎖指令，具有廣闊的市場應用前景。

關鍵詞：藍牙智能鎖;Arduino控制器;手機APP

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0086-03

1概述

隨著“萬物互聯”概念的提出，物聯網技術得到了飛速發展，智慧生活和智能家居理念也逐漸得到人們的認可。傳統門鎖在智能化、安全管理上仍有許多需要改進的地方，目前市場上現有的一些智能門鎖，僅僅是在開鎖方式上做了一些改變，而在無線控制、手機APP控制等方面仍存在不足，因此設計一款無線遙控、人機界面友好的智能門鎖具有重要的意義。基于以上理念，在結合物聯網技術、嵌入式技術、電子技術的基礎上，設計了一款基于Arduino的手機APP控制的智能鎖。同時，為了增加智能鎖的安全等級，用戶需先通過手機客戶端APP密碼進行驗證，然后才能對鎖具進行開關控制，有效的避免了傳統門鎖的不足。

2系統方案設計

系統總體框圖如圖1所示。藍牙模塊通過串口與Arduino主控板進行通信，利用Arduino主控板的數字引腳5控制單路繼電器的吸起和落下，從而控制電子鎖電源的導通和斷開;藍牙模塊通過無線方式與手機端藍牙進行通信，進而實現手機端APP對電子鎖的控制。

3硬件設計

3.1Arduino主控板

Arduino是個基于開放源代碼的軟硬體平臺。它的硬件具有豐富的接口，有數字I/O口、模擬I/O口，同時支持SPI、IIC、UART串口通信。

Arduino編程語言沒有復雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編程序，只有簡單而實用的函數。直接調用它們就可以完成各種需要的功能，而且簡便的編程環境擁有極大的自由度，可拓展性能非常高。標準化的接口模式、豐富的開放源代碼，從而使復雜命令的編程工作變得簡單。

常用的Arduino主控板有：Arduino Uno、Arduino Mega2560、Arduino Nano、LilyPad Arduino、Arduino Leonardo等。本系統中所使用的Arduino UNO R3是一個基于ATmega328核心的微控制器板。它由14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可以用作PWM輸出）、6個模擬輸人、一個16MHz的陶瓷諧振器、USB接口、電源插孔、ICSP頭和一個復位按鈕組成，如圖2所示。開發板出廠時已完成了啟動程序的固化，使用過程中可以直接使用USB線進行程序下載。

3.2傳感器擴展板

對于一些不熟悉電子技術的人，要添加電路是一個比較麻煩的事，借助于傳感器擴展板，能使大部分外圍元器件輕松地與Arduino主控板連接，如圖3所示。

3.3藍牙模塊

Bluetooth Bee藍牙無線數傳模塊采用XBEE造型設計，體積尺寸緊湊，兼容傳感器擴展板底座，適用于各種3.3V的單片機系統，模塊可以使用AT指令設置主從模式、波特率、配對密碼、用戶信息等。如圖4所示。

3.4單路繼電器

單路繼電器模塊是一個小電流信號控制大功率設備的常用電子模塊，可實現單片機控制大功率器件，廣泛用于單片機系統設計的智能家居項目。如圖5所示。

3.5電磁鎖

電磁鎖的原理：電磁鎖內部有電磁線圈，利用電生磁的原理，當電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產生強大的吸力，緊緊地吸住門上鐵片，達到鎖門的效果。只要小小的電流，電磁鎖就會產生莫大的磁力。當控制電磁鎖電源系統識別人員正確后則會斷電，電磁鎖失去吸力即可開門。開門后經預設延時后電磁鎖恢復通電狀態與門上鐵片吸合，門再次鎖緊。如圖6所示。

硬件系統連接順序是：傳感器擴展板扣在Arduino主控板上，藍牙模塊扣在傳感器擴展板上，傳感器擴展板上的數字引腳5控制單路繼電器的吸起和落下，單路繼電器控制電磁鎖的電源。

4軟件設計

4.1硬件端程序代碼

設計思路：硬件端藍牙模塊收到手機端發來的命令數值16，通過串口發送給Arduino控制器，Arduino控制數字引腳5輸出高電平，使繼電器吸起，電磁鎖電源斷開，門鎖打開;延遲10秒，讓繼電器落下，電磁鎖電源合上，門鎖閉合。

打開Arduino開發編碼環境界面，輸人以下代碼，編譯通過后下載到Arduino主控板。

4.2手機端程序代碼

系統中的手機端APP采用App Inventor進行編程，App In_ventor是Google實驗室的一個計劃，由來自麻省理工學院、有“App Inventor之父”之稱的HalAbelson教授及其團隊負責主導開發。它以圖形化編程界面為主要特色，是一種簡單、快速開發Android App的開發平臺，功能強大、易學易懂。

4.2.1屏幕初始化

在沒有完成“搜索藍牙”之前，“連接藍牙”按鈕應處于非活動狀態，即不可點擊。

4.2.2“搜索藍牙”鍵設計

利用ListPicker組件實現“搜索藍牙”鍵展開功能，將手機已存儲配對過的設備做成一個列表供選擇。

4.2.3“連接藍牙”鍵設計

在ListPicker的展開列表中，選擇硬件端藍牙的名稱，然后點擊“連接藍牙”以實現手機端與硬件端的無線連接。

4.2.4“鎖按鈕”鍵設計

設計思路：點擊“鎖閉”的圖案時，先檢查輸入的密碼是否正確，如果正確則將“鎖閉”的圖案換成“開鎖”的圖案，并通過手機藍牙向Arduino主控板發送命令數值16;在延時10秒后，把“開鎖”的圖案換成“鎖閉”的圖案。

4.2.5手機端APP運行效果

5結束語

本系統是基于Arduino主控板的藍牙智能控制鎖的設計，內容包括方案的設計、硬件選型、軟件編程。經實驗測試，系統工作可靠、運行穩定、功耗低，能實現無線開鎖上鎖功能，手機端APP界面中的輸入密碼選型增強了鎖具的安全等級。此外，本設計還可以推廣到電動車、小汽車等領域，為藍牙通信在物聯網技術發展中的應用提供一定的參考價值。