基于手機APP管理的智能門鎖系統設計

陳釗慶 范祥祥 葉永興 周碧茜

摘 要：智能門鎖作為家居的一部分，在保障財產安全和方便生活方面的作用越來越明顯。為了提高門鎖安全屬性并方便人們使用，設計利用手機APP通過聯網對門鎖進行管理的系統。該系統通過手機APP更改門鎖密碼，用戶通過門鎖鍵盤輸入密碼開門，門鎖端可自主上傳門鎖開門時間及開門密碼。此外，用戶設置的密碼種類多樣，可以增加限時、限次密碼，進一步提升了安全性能。

關鍵詞：密碼鎖;手機APP;WiFi;3G/4G通信;遠程控制;信息跟蹤

中圖分類號：TP23;TN99文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

伴隨計算機技術、網絡技術及大規模集成電路的發展，室內智能化倍受期待，智能化產品也越來越受到人們的關注和使用[1]。門鎖是家的第一道安全屏障，是家庭中每天都會用到的安全設備，在智能家居的大浪潮下，門鎖的智能化已經形成了一種趨勢，智能門鎖應運而生。

本文提出一種較為新穎的智能鎖工作模式，以WiFi網絡為基礎，將門鎖、手機、服務器三者聯接起來。手機用戶通過APP發送指令控制開鎖密碼更變，開鎖時發送即時開鎖密碼信息至手機用戶，從而實時了解開鎖情況，有效提升安全性能[2]。

1 系統結構

智能鎖系統包括智能鎖具微控制器系統、云服務器、用戶遠程控制的手機APP以及實現這三者聯系的無線通信系統[3]，系統結構如圖1所示。

微控制器系統通過WiFi無線模塊接入云服務器，手機客戶端通過3G/4G通信網接入云服務器。通過云服務器，手機客戶端的指令可轉發至門鎖端，門鎖端上傳的信息也可發送到手機客戶端，實現用戶對門鎖的遠程控制與信息跟蹤[4]。該系統的工作過程為：用戶通過手機APP設置解鎖密碼，主控芯片將此密碼保存下來，并通過門鎖端的密碼輸入界面輸入密碼，達到解鎖的目的。

2 硬件電路設計

門鎖硬件電路的整體設計主要考慮系統的穩定性、可靠性、高效性、實用性、簡潔性等方面[5]。系統硬件電路如圖2所示。

主控芯片采用最常見的51內核單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，其主頻范圍為11～32 MHz，同時具有32個I/O口，且價格低廉，技術實現難度低。為了提高與WiFi模塊傳輸的傳輸速率，該系統選擇使用的波特率為115 200 b/s，晶振頻率為22.118 4 MHz[6]。

WiFi通信采用ESP8266-12F模塊，它是高性能無線SoC，以最低成本提供最大實用性。該模塊支持標準的IEEE 802.11b/g/n協議，完整的TCP/IP協議棧。使用該模塊使主控芯片與云服務器之間具備通信條件[7]。

鍵盤采用12位電容式按鍵模塊（10個數字、“*”“#”），通過I2C接口進行控制，僅需要2個I/O口，相比于傳統矩陣鍵盤更加美觀且操作方便。其中，“#”設置為確認鍵，“*”設置為清除鍵。

顯示采用OLED顯示屏。OLED分辨率高、功耗低，且可顯示圖片，相較于液晶屏幕操作性更高。

電子鎖體驅動采用TB6612FNG模塊，電機電源接口帶有反接保護電路，相較于傳統的L298N提高了效率，體積也大幅減小。

3 軟件設計

3.1 門鎖端

門鎖端工作流程如圖3所示。接通電源后，系統進行初始化，隨后不斷地等待新事件發生。當用戶按下電容鍵盤對應區域時，便會保留此刻的鍵值，如果輸入錯誤，可以按下“*”鍵刪除。當獲取到4個鍵值并收到最終結束符“#”時，主控開始對比密碼，如果密碼與主控中存有的所有正確密碼都不匹配，蜂鳴器將會發出短促聲響，并提示密碼輸入錯誤;如果密碼輸入正確，蜂鳴器將會發出“嘀”聲長鳴，隨后發送控制信號至電機驅動芯片TB6612FNG，控制電子門鎖解鎖，并通過WiFi透傳，將開門信息和開門密碼傳至服務器，服務器收到后再傳至手機端，從而得到每次開門的信息。若想增加新的開門密碼，只需在手機端APP界面輸入一個四位密碼并點擊確認，新的密碼便通過服務器傳輸至門鎖裝置端。確認新的密碼信息后，主控使用一個數組空間保存這個密碼。若想刪除密碼，也需通過手機端將其中配置好的密碼刪除，刪除信息通過服務器傳至門鎖端，主控芯片刪除原先存放的密碼。

3.2 手機端

手機端的主要功能為：通過服務器從智能鎖獲取門鎖密碼信息并顯示;設置門鎖密碼與密碼權限，并發送至服務器[8]。APP界面如圖4所示。

APP功能流程如圖5所示。APP登錄后將連接TCP服務器，從鎖體端獲取密碼信息，并顯示在APP界面上。若獲取失敗，則彈出提醒框，此時可再次點擊，直到成功獲取所有可開鎖的密碼為止。若設置密碼，只需點擊0～9編號鎖定密碼存放空間，隨后彈出四個選項框，分別為設置普通密碼（永久開鎖密碼）、設置臨時密碼（某一時間段內密碼有效）、設置次數密碼（密碼開鎖次數上限）、刪除密碼。點擊設置類選項，將會彈出鍵盤，輸入密碼后將此密碼發送至服務器;點擊“刪除密碼”，原編號內的密碼將被直接刪除。

3.3 云服務器

云服務器的主要功能為轉發信息。該系統使用NodeJS編寫服務器程序[9]，建立TCP服務器和WebSocket協議，分別供門鎖端和手機端連接以及信息傳輸[10]，具體流程如圖6所示。通過初始代碼建立服務器，并生成連接到服務器端口，等待客戶端連接。建立連接后開始監聽端口信息，判斷信息來自門鎖端或手機端，并將門鎖端發來的信息轉發至手機端或將手機端發來的信息轉發至門鎖端。

4 系統測試

硬件效果如圖7所示。系統工作時，OLED屏幕顯示兩行，第一行顯示“hello world”，第二行顯示“****”，代表輸入的四位密碼。通過電容觸摸屏依次按下四位密碼，每按下一位，對應的“*”就會變成相應的數字，當輸入完四位密碼后，按下“#”鍵代表輸入完成，蜂鳴器發出聲響代表解鎖成功。最終APP界面如圖8所示，標號0～2以及4，5為普通密碼，標號6，7為次數密碼。

5 結 語

本文主要介紹了一款利用手機通過聯網控制的智能密碼鎖系統，在傳統鎖的基礎上進行改進與創新，使其具備了手機設置密碼開鎖、防盜提醒等功能。該門鎖結合“互聯網+”技術，大大提升了安全性，符合基本實際需求，對智能電子鎖的進一步推廣起到了促進作用。

參 考 文 獻

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[4]盧丹萍，許劍新.一種手機開鎖的酒店客房門鎖控制器的設計[J].廣西職業技術學院學報，2018，11（1）：31-33.

[5]盧貺.基于STC12處理器的智能門鎖系統設計[J].武漢船舶職業技術學院學報，2018，17（4）：57-61.

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[9]單振華，王舒憬，陳凱，等.基于NodeJS的智能家居語音控制系統服務器端設計與實現[J].工業控制計算機，2016（4）：66-67.

[10]王愿祥，程悅琪，孫先松.基于WiFi的無線測控終端系統設計[J].物聯網技術，2018，8（9）：23-26.