基于嵌入式行李箱的智能鎖設(shè)計

張長虹 吳偉偉 李肖鋒 朱素娜

摘要：目前市場上絕大多數(shù)的行李箱鎖為簡易式機(jī)械鎖，安全系數(shù)極低。為了確保出行旅客的行李箱安全，本設(shè)計基于嵌入式可伸縮智能行李箱的原有結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款具有指紋防盜技術(shù)的行李箱智能鎖。本款智能鎖以51單片機(jī)為基礎(chǔ)，并且通過指紋錄入、識別等功能對檢測到的指紋進(jìn)行比對分析，同時加入NFC模塊，可以使用手機(jī)進(jìn)行快速解鎖，從而達(dá)到智能、安全的目的。

關(guān)鍵詞：指紋解鎖;51單片機(jī);NFC

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0078-03

Abstract： At present， the vast majority of trunk locks on the market are simple mechanical locks with very low safety factor. In order to ensure the safety of passengers' luggage， this design is based on the original structure of embedded retractable intelligent trunk， and designs a trunk intelligent lock with fingerprint anti-theft technology. This intelligent lock is based on 51 single-chip microcomputer， and through fingerprint input， identification and other functions to compare and analyze the detected fingerprints. At the same time， NFC module is added， which can use mobile phone to quickly unlock， so as to achieve the purpose of intelligence and security.

Key words： fingerprintunlocking;51MCU;NFC

近年來，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)智能鎖在技術(shù)、生產(chǎn)工藝方面得到了極大的提升。隨著交流的日益密切，智能鎖的市場需求愈發(fā)廣闊，而外出也漸漸成為人們工作和生活的重要組成部分，因此行李箱安全性的提升極大的契合了市場的需求。智能鎖由于其便捷性、實(shí)用性和安全性在行李箱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計基于以上目的，致力于研制出兼具以上優(yōu)勢的智能鎖。

1智能鎖發(fā)展歷程

中國的智能鎖發(fā)展歷程大致可以分為四個時期：第一時期：1989-1999，刷卡式電子鎖成星級酒店標(biāo)配。雖然那時候的酒店鎖市場非常大，但是大多數(shù)企業(yè)沒有自己的核心技術(shù)，仍處于模仿、借鑒歐美和日韓相關(guān)產(chǎn)品的階段。第二時期：2000-2010，指紋鎖開始走入歷史舞臺。進(jìn)入20世紀(jì)后，我國電子鎖行業(yè)得到快速發(fā)展。有不少企業(yè)也開始從酒店電子鎖逐漸向家用指紋鎖轉(zhuǎn)移。雖然在外觀和某些技術(shù)上還是以借鑒韓國為主，但是指紋識別技術(shù)的運(yùn)用，為電子鎖的家用進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。這一時期的智能鎖產(chǎn)品除了傳統(tǒng)的機(jī)械鑰匙、NFC技術(shù)及密碼之外，指紋識別已成為家用鎖的標(biāo)配，但這一時期的指紋模塊主要以光學(xué)為主。第三時期：2011-2016，多種生物識別并存，聯(lián)網(wǎng)已成趨勢。隨著智能鎖觸網(wǎng)的深入及安裝基數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)后形成網(wǎng)絡(luò)效益，“智能鎖+App”，或者“智能鎖+微信”已成為智能鎖第三階段的標(biāo)志之一，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)在手，隨時隨地查看家中的狀態(tài)。而且，遠(yuǎn)程控制的形式還會一直延續(xù)下去。第四時期：2017-至今，人工智能鎖已經(jīng)漸漸出現(xiàn)在公眾視野當(dāng)中。伴隨著越來越多的企業(yè)的加入，行業(yè)內(nèi)部的競爭已經(jīng)愈發(fā)激烈。越來越多的智能鎖企業(yè)，為了擺脫現(xiàn)有的桎梏，正在積極謀求新的突破口。在人工智能大火的背景之下，更多的人把目光轉(zhuǎn)向了人工智能本身，智能鎖的第四個時期也由此開啟。

中國的智能電子鎖具一開始并沒有任何技術(shù)，也沒有任何經(jīng)驗(yàn)的支持，所以只能模仿外國發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品，由此可見，中國的智能電子鎖具的創(chuàng)業(yè)歷程是多么艱難。如今，經(jīng)過20多年的發(fā)展，中國已經(jīng)完成了從普通電子鎖具到指紋鎖具，最后創(chuàng)造出人工智能鎖的發(fā)展歷程，成功屹立于智能鎖具強(qiáng)國的行列。

2功能模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 指紋識別模塊的設(shè)計原理

此項(xiàng)目中運(yùn)用了指紋識別模塊，其模塊型號為 AS608 。在進(jìn)行指紋識別時，通過模塊中的傳感器，對檢測到的指紋圖像進(jìn)行分析和比對，檢測到的指紋緊接著和系統(tǒng)中提前錄入的指紋進(jìn)行驗(yàn)證和處理。本設(shè)計中運(yùn)用到的指紋識別模塊——ATK-AS608和同等類型模塊相比具有非常良好的特點(diǎn)，如：此模塊由于采用高精度算法，指紋的驗(yàn)證和處理時間能夠保持在0.3s之內(nèi)、拒識率（FRR）保持在1%之內(nèi)，誤識率（FAR）保持在0.001%之內(nèi)，并且具有能夠錄入并儲存300枚指紋的優(yōu)點(diǎn)。此模塊工作的基本原理是以單片機(jī)和Uart串口為主要基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并對MCU發(fā)送指紋的驗(yàn)證和分析結(jié)果，與此同時，模塊中的主控芯片會在收到分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，向電機(jī)模塊發(fā)送指令，由此達(dá)到智能鎖具快速開啟的目的。

2.2軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研究的智能鎖采用的是以51單片機(jī)為核心的處理器，它內(nèi)部的程序是由C語言來進(jìn)行編寫，在 KeiluVision2 平臺上調(diào)試，而且通過 Proteus 7 Professional 平臺上所建立的硬件模擬環(huán)境來進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證，從而讓軟件模塊和硬件模塊互相協(xié)調(diào)工作的電路，一起完成本設(shè)計中的智能功能。軟件模塊具有錄入指紋，且進(jìn)行比對分析或增減指紋等設(shè)計。在本項(xiàng)目中，圖像的識別模塊使用的算法是 GABOR ，其目的是處理因錄入的指紋不清晰等原因手造成系統(tǒng)識別質(zhì)量不足的問題。進(jìn)行指紋分析的系統(tǒng)使用的內(nèi)部軟件搭建結(jié)構(gòu)為 DSP 加 51 的組合，大大提升了核心處理器的工作效率，強(qiáng)化了系統(tǒng)中軟件的并列運(yùn)行的程度。本設(shè)計中，指紋信息的錄入、比對與分析、指紋的增減是由 DSP 芯片重點(diǎn)負(fù)責(zé)的。使用的大致過程是用戶提前將自己的指紋錄到模塊當(dāng)中，而后期可由用戶自己進(jìn)行指紋的增減。

指紋處理大致流程如圖 1 所示

2.3 NFC模塊

為了使本設(shè)計具更加完善的功，并且提高用戶使用時便捷性，我們?yōu)榱朔乐钩霈F(xiàn)錄入指紋時錄入圖像不清晰，阻礙用戶的使用的情景，因此，添加了NFC模塊。NFC也就是我們常說的近場通信（Near Field Communication），它是一種小范圍內(nèi)的高頻無線通信技術(shù)，當(dāng)使用NFC技術(shù)的設(shè)備（如手機(jī)），彼此靠近時可以互相進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)手機(jī)開啟NFC功能并靠近行李箱智能鎖時，智能鎖將自動核對信息，若跟系統(tǒng)設(shè)定的信息相一致時，智能鎖將自動打開，大大便捷了行李箱的使用。

NFC工作流程圖如下。

3智能鎖的核心技術(shù)與安全性分析

3.1 技術(shù)分析

在本設(shè)計中，系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊之間的連接方式是無線連接，所以本設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)的采集與傳輸。由此引發(fā)的，需要我們特別關(guān)注的問題是模塊中的網(wǎng)關(guān)模塊是比較容易遭受攻擊的，從而引起我們對安全性的擔(dān)憂。因此，針對此問題我們在本設(shè)計中加入了訪問控制模塊，它的大致作用是監(jiān)測用戶的活動內(nèi)容并進(jìn)行記錄分析，同時對其操作進(jìn)行回應(yīng)，并且給予用戶對應(yīng)的權(quán)限，防止非經(jīng)允許的使用者獲得相應(yīng)權(quán)限。同時，若長時間無新的指令產(chǎn)生，智能鎖將自行休眠進(jìn)入低功耗模式。倘若系統(tǒng)檢測到用戶使用密碼或指紋解鎖，系統(tǒng)會對其身份進(jìn)行比對分析，在核查無誤后才會進(jìn)行開鎖指令的下達(dá)。在本產(chǎn)品設(shè)計中，系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為指紋模塊，它在系統(tǒng)中最主要的功能是高效的對指紋進(jìn)行比對分析與核查，從而以極快的速度來檢測訪問者的合法性，最后決定是否下達(dá)開鎖指令。在本設(shè)計中，指紋模塊為核心部件，且其為電容式，因?yàn)榇祟惸K是DSP處理器高性能運(yùn)轉(zhuǎn)以及和傳感器相互協(xié)同工作的關(guān)鍵，并且指紋模塊內(nèi)部具有完善的算法與指紋協(xié)議。它的功能大致有，指紋的識別與比對、指紋的錄入與存儲、指紋特征的提取、錄入的指紋圖像的處理等，極大的增強(qiáng)了指紋識別的準(zhǔn)確性與安全性。

智能鎖的開鎖與解鎖是由系統(tǒng)對電機(jī)驅(qū)動下達(dá)指令完成的，智能鎖模塊的輸入/輸出端在進(jìn)行初始化后，便進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)其接收到指令并對指令進(jìn)行驗(yàn)證分析后，完成開鎖解鎖。

3.2智能鎖的安全性分析

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，我們考慮到發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的安全性有待提高，因此，我們所有的數(shù)據(jù)全部進(jìn)行加密處理，并且規(guī)定用戶使用智能解鎖的機(jī)會不超過5次。倘若系統(tǒng)識別到5次以上解鎖錯誤，智能鎖將立刻關(guān)閉智能解鎖系統(tǒng)，在此情況下，用戶只能進(jìn)行物理解鎖，從而達(dá)到保證用戶行李箱安全的效果。

數(shù)據(jù)加密流程如圖所示。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)對我們生活日益深刻的影響，以NFC智能解鎖和指紋解鎖為基礎(chǔ)的智能鎖，愈來愈發(fā)的被市場所接受。具有高安全性，便捷且實(shí)用的裝配有智能鎖的行李箱越來越受大眾所喜愛，所以大力探究和發(fā)展智能鎖也大有市場。通過對現(xiàn)階段智能鎖的關(guān)鍵技術(shù)與安全性的分析不難看出，雖然智能鎖相較于傳統(tǒng)鎖具在技術(shù)層面已經(jīng)有了較大的進(jìn)步，但結(jié)合實(shí)際，無線電傳輸并不具有絕對的安全性，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送時如何保密仍然要我們繼續(xù)研究，這不僅僅是一個智能鎖的研究課題，也是智能鎖技術(shù)走向成熟的重要研究課題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫煒程，周曉宇，張華.指紋識別式電子密碼鎖設(shè)計[J].福建電腦，2015，31（4）：32-34.

[2] 李根柱.一種新型指紋鎖電路設(shè)計[J].電腦與信息技術(shù)，2014，22（2）：54-57.

[3] 郭輝，甘智鑫，熊永江.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線智能鎖設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2019（2）：120-121，131.

[4] 馬海霞，高偉豪，曾超華，等.基于WiFi的無線智能門鎖設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2019，27（21）：160-163，171.

[5] 金晅俊.基于RFID和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)計自助智能鎖和智能鑰匙管理系統(tǒng)[J].信息系統(tǒng)工程，2018（10）：56.

[6]Wikipedia.Industry4.0[EB/OL].2019-03-25.https：//en.Wikipedia.org/wiki/Industry_4.0.

【通聯(lián)編輯：光文玲】