基于非接觸式IC卡的智能門鎖設計

樹豫　耿麗　胡海濤　曹星雨　馬晴晴

摘要：根據市場上智能門鎖的安全隱患問題，為增強智能門鎖的安全性、便捷性，我們提出采用手機進行智能門鎖解鎖的方法，設計了一款基于手機NFC功能的智能門鎖。此設計可防止他人通過無線網破解門鎖，并且此智能門鎖采用不聯網非接觸式解鎖。在此基礎上，為使在發生火災、煤氣泄漏時屋內人員快速得到救援，增加了燃氣傳感器來使門鎖在突發緊急情況下被救援人員打開。設計方案安全、穩定、快捷、有效，具有一定的實用性。

關鍵詞：NFC;智能門鎖;無線網破解;燃氣傳感器

隨著信息化時代的來臨，數字化信息開始不斷改變人類的生活，其中，網絡就是它的發展產物之一。網絡的普及既有優點也有缺點，互聯網拉近了人與人之間的距離，便利了人們的生活，但也對人們的隱私安全產生危害，現代社會也發生了許多因互聯網導致信息泄露而引起的個人財產生命安全受到危害的許多案例。如今隨著時代的變化，越來越多的人開始將互聯網與生活聯系在一起，智能電器也被廣泛地應用進生活，因此智能門鎖的使用也越來越廣泛。但許多智能門鎖仍存在著些許的安全隱患，例如，開門數據指令被竊取風險，服務器被攻擊導致密鑰泄露風險等等，這些容易忽略的安全隱患不僅會對人們的財產安全造成威脅，更是威脅了人們的生命安全，所以為了使智能門鎖更具安全性，我們設計了一款基于NFC功能的智能門鎖，可以做到不連接WiFi，藍牙就能輕松完成解鎖，這樣可以有效地防止他人通過互聯網來獲取數據進而揭開門鎖的事件發生。本設計基于NFC功能的智能門鎖進行了改善與升級，可以使人們在日常解鎖中采取更加安全，快捷的方法進行解鎖，也大大提高了智能門鎖的安全性和防范性，可廣泛應用于生活之中。

隨著科技與經濟的發展，現在很多家庭都摒棄了傳統的做法與取暖的方法，越來越多的家庭將天然氣或煤氣作為主要的能源，天然氣具有無色無味的特性，如果天然氣泄漏很難通過嗅覺來察覺，因此由于天然氣泄漏，煤氣泄漏而引起的安全事故逐年增加，為使身陷此類安全事故中人們能夠快速察覺危險并且及時得到救援，本智能門鎖還安裝了燃氣傳感器，可以用來檢測瓦斯、液化石油氣、一氧化碳有無泄漏，一旦有泄漏被燃氣傳感器檢測到，智能門鎖將會觸發其中的報警裝置來發出報警信號，此時本設計的智能門鎖解鎖就能通過已設定程序遇到報警裝置發出報警信號從而打開門鎖，以幫助救援人員減少救援時間來解救屋內中的人，此功能不僅大大提高了此類安全事故的逃生率，而且還能夠有效地提高人們生活環境的安全性與防范性。

目前市場上所存在的智能門鎖，其中大多數門鎖的鎖舌在門關閉的時候都會與門框進行摩擦，這樣的設計會使鎖舌得到長久的磨損，從而會導致鎖舌的使用壽命大大下降，而本智能門鎖設計了一種新穎的關門方式，即當門將要關閉上時，鎖舌會慢慢收入鎖體中，這樣可以避免像傳統鎖舌一樣的磨損，從而可以大大增加門鎖的壽命，使門鎖更好地得到了保護。此外，此設計可有效防止人為觸動鎖舌致使門打開，設計安全可靠。

1 智能門鎖硬件設計

該門鎖以Arduino nano v3為控制核心，工作模塊有：MQ9可燃氣體傳感器、霍爾傳感器、MFRC522讀卡器、L298N電機驅動器、蜂鳴器。所有功能模塊均選用體積最小，穩定性最高的版本，保證用戶使用時的功能穩定和性能安全。

1.1 arduino nano v3參數

該門鎖選用的開發板是arduino USB版本中最小體積直插式開發板，處理器為ATmega328，存儲器為32KB Flash，其中2KB用于BootLoader，同時還有2KB SRAM和1KB EEPROM。接口部分除MiniB USB接口外，有14路數字輸入/輸出口，其中6路可作為PWM輸出，8路模擬輸入。選用16MHz晶體振蕩器，工作時鐘16MHz。工作電壓5V，推薦輸入電壓7—12V，實際輸入電壓620V。支持SPI、I2C、COM通信方式。

1.2 L298N電機驅動模塊參數

該門鎖鎖舌的工作電壓為12V，所以不能直接使用開發板的工作電壓進行驅動，所以采用該驅動模塊對門鎖進行控制。驅動電壓5V35V，當驅動電壓輸入為5V12V時，可輸出5V的邏輯電壓供驅動板邏輯控制，同時還可以輸出供其他設備使用，所以該門鎖的其他模塊的供電全部由該驅動板提供。驅動電流單橋最大2A，最大功率25W。具有超寬工作溫度范圍，可以在極限環境下提供穩定的輸出，保證設備的穩定運行和用戶的消防安全。通過開發板的數字信號0和1對驅動板進行操作，從而達到控制電磁鎖舌的收縮，進行解鎖。

1.3 MFRC522 IC卡感應模塊參數

該模塊用于讀取用戶的卡片信息，判斷是否有解鎖權限。支持的卡片類型有mifare S50、mifare S70、mifare UItraLight、mifare Pro、mifare Desfire。工作頻率13.56MHz，能在-20℃～80℃穩定工作，為用戶提供極限環境的穩定解鎖。工作電壓3.3V，可以直接使用開發板的輸出電壓。通信方式為SPI，可同時進行數據雙向傳輸。

1.4 3144霍爾傳感器參數

該傳感器是一種磁傳感器，用于檢測磁場的變化，可以直接輸出數字和模擬信號。該門鎖使用該傳感器的目的是用于檢測門當前狀態，在門框或鎖扣上加裝磁鐵或直接充磁即可。工作電壓5V，工作電流15mA。配合電位調節器，可進行靈敏度調節。

1.5 MQ9可燃氣體&煙霧傳感器模塊參數

該氣體傳感器采用的氣敏材料是在清潔空氣中導電率較低的二氧化錫（SnO2），采用高低溫循環檢測的方式檢測可燃氣體，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體的濃度增大而增大。低溫（1.5V加熱）時，檢測一氧化碳;高溫（5V加熱）時，檢測甲烷，丙烷，并清洗低溫時吸附的雜散氣體。檢測濃度為101000ppm，加熱功耗350mW，工作電壓5V，測試工作溫度20℃。

2 功能介紹

由于該鎖控制系統沒有機械結構，所以所有的操作動作都轉化為電信號。

2.1 反鎖功能

當檢測到反鎖信號時，屏蔽所有的解鎖信號，同時檢測到解鎖信號時，進行蜂發聲和LED燈光提示。當檢測到非反鎖信號時，可進行正常解鎖操作。

2.2 非接觸式IC卡解鎖、記錄功能

非接觸式IC卡由IC芯片、感應天線組成，并完全密封在一個標準PVC卡片中，無外露部分。由非接觸式IC卡所形成的讀寫系統，無論是硬件結構，還是操作過程都得到了很大的簡化。IC讀卡模塊可檢測極限距離為7cm，當有IC卡靠近時，自動讀取IC卡信息進行判斷。當檢測到已添加的IC卡信息時，執行解鎖流程;當檢測到未添加的IC卡信息時，則進行蜂鳴和燈光提示，同時記錄該卡片信息，留作證據。

2.3 添加/刪除用戶IC卡功能

當檢測到添加IC卡信號時，進入添加IC卡流程。首先等待刷最高管理權限卡，驗證是管理員正在進行操作，驗證通過后，再刷要添加的卡片，刷完后提示保存狀態，保存成功后，該卡片可進行解鎖操作。設定可保存10張IC卡信息，為保證系統的穩定運行，可保存卡片的數量設定應考慮內存的因素。當檢測到刪除卡信號時，則刪除最近添加的用戶IC卡信息，此后該卡片則無法進行解鎖。

2.4 門當前狀態判斷功能

通過霍爾傳感器，檢測門當前的狀態。當門鎖啟動時，首先判斷門狀態。如果門處于打開狀態，則釋放鎖舌等待用戶關門，如果處于關門狀態，釋放鎖舌等待用戶解鎖。當門被解鎖后，用戶正常推開門，檢測到門被打開，則鎖舌釋放，防止用戶長期開門狀態下鎖舌一直處于收回狀態，導致功耗增加，甚至燒壞電磁線圈。如果門被解鎖后，用戶在設定時間內未推開門，檢測到門一直處于關閉狀態，則重新上鎖，等待用戶再次解鎖。

2.5 非正常解鎖開門報警功能

當門鎖未解鎖或未經過解鎖流程后，檢測到門被打開，則進行警報。可以提示用戶門已被暴力方式開啟或破壞。

2.6 火災、燃氣泄漏輔助消防功能

為解決發生火災、燃氣泄漏災害時，消防人員無法及時打開門而延誤救援時間的問題，門鎖加裝煙霧和可燃氣體傳感器，當檢測到室內燃氣或煙霧濃度達到設定值時，發出警報，并且門外人員可直接打開門鎖，進行施救。

2.7 鎖舌摩擦保護功能

普通機械門鎖進行關門操作時，通過鎖舌的斜面結構將鎖舌壓入鎖扣，這種結構的門鎖可以使用薄片插入門縫，將鎖舌壓回門鎖內，打開門鎖。為減少摩擦和結構漏洞，該門鎖鎖舌使用直插圓柱結構，不僅可以防止機械性破解，還可以通過霍爾感應器檢測是否接近門框，從而實現快速自動收回鎖舌，保護鎖舌。

3 結論

將無線解鎖與安全系統相結合，提出基于NFC功能進行智能解鎖方案。系統在高效便捷的解鎖情況下，還大大增加了智能門鎖的安全性，符合當代社會的需求發展。隨著智能門鎖逐步成為家庭智能安全的核心單品，現已是智能家居生態鏈上不可或缺的核心組成部分。

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基金項目：江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目，項目名稱：定時門鎖的設計與實現（項目編號：XCD2019002）

作者簡介：樹豫（1999—），女，江蘇泰州人，本科，南通理工學院電氣與能源工程學院學生，研究方向：電氣工程。

*通訊作者：耿麗（1978—），女，江蘇宿遷人，碩士，南通理工學院電氣與能源工程學院講師，工程師，研究方向：應用電子技術。