一種智能門鎖的設計

張清辰，王厚英，何經偉

（北海職業學院，廣西 北海 536000）

0 引言

在互聯網絡發達的今天，人類已經擁有大量認證和密碼，例如支付賬號密碼、開機賬號密碼、登錄賬號密碼、各移動智能終端所需要的密碼等[1]。現今密碼的重要性不言而喻，伴隨科技的發展，借助生理特征及行為動作等特性來驗證識別身份以代替傳統的密碼鎖解鎖方式，解決了密碼繁雜難記的問題，減免了被他人盜用的風險。目前，有效融合智能密碼鎖、生物識別技術以及感應卡，讓智能密碼鎖系統得到快速發展，其密碼鎖具有覆蓋面廣、安全性好、使用方便等特點，基于密碼鎖識別性強、便于管理等優點，新型的密碼鎖系統也被大量使用[2]。

伴隨著電子集成制造技術不斷深入發展，安全可靠的算法也應運而生，從而為指紋識別、紅外遙控解鎖的發展奠定了一定的基礎[3]。在智能門鎖密碼設置、解鎖過程需要處理大量比對數據，在進行數據信息分析對比時，需要精度高、集成性好、智能化強的AS608指紋識別、MFRC522射頻識別、無線遙控等核心芯片，從而促使智能門鎖系統在進行密碼保護及解鎖的過程更加安全可靠。

綜上所述，本設計的具有多種解鎖功能的智能化門鎖系統，該系統主要由AS608指紋識別模塊、MFRC522射頻識別模塊、紅外遙控模塊、存儲電路模塊、報警電路模塊等組成，系統的功能框架如圖1所示。

圖1 系統功能框架圖

1 系統功能模塊分析

該系統由一個單片機系統、一個矩陣鍵盤、一個LCD顯示器、一個指紋模塊、一個紅外接收頭/遙控器模塊等組成。該系統在對密碼進行輸入之際，由單片機控制指紋信息、面部鍵盤抑或是紅外遙控器加以利用，便能夠匹配相應的密碼，判斷密碼正確與否，并向解鎖和報警電路發送高、低信號電平，以執行解鎖和報警命令。在設計方案中，本門鎖系統可實現指紋的錄入與使用，進行指紋解鎖、紅外遙控密碼設置及解鎖以及ID卡解鎖等多種解鎖，同時系統可實現存儲密碼、刪除密碼、更改密碼等功能操作。另外，本方案創新之處在于紅外遙控的解鎖功能，大大增加了智能門鎖的便捷性，使用起來體驗感也會有所提升。本系統各功能模塊分析如下：

1.1 AS608指紋識別模塊

AS608指紋識別模塊的主要作用是，利用生物學生理特征來驗證人體手指指紋的各異，識別身份以代替傳統的鑰匙解鎖、密碼鎖解鎖方式，避開了攜帶鑰匙的不便性及密碼難記憶問題，具有解鎖的及時性與方便性。

1.2 MFRC522射頻模塊

MFRC522射頻模塊的主要作用：ID門卡通過RFID-RC522射頻接收模塊信號，進行執行門鎖設置密碼及解鎖密碼動作，最后把門鎖密碼信息存儲于ID門卡，通過刷卡進行解鎖，具備設置門鎖密碼及間接記憶密碼解鎖的特點。

1.3 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊的主要作用是，通過紅外按鍵設置門鎖密碼，無線遙控進行密碼解鎖等解鎖設置，具備非接觸、遠程（一定距離內）進行門鎖設密、解密及無線管理門鎖信息等智能優點。

1.4 報警電路模塊

報警電路模塊，單片機為主控核心，采用多種方式解鎖，對蜂鳴器進行控制。本電路模塊功能在使用者輸入密碼的錯誤數目超過預先設定的警告數目時，就會呼叫提醒，使蜂鳴器發出警鈴，并且阻止鍵入，具備報警作用。

1.5 存儲電路模塊

存儲電路模塊的主要作用是在整個門鎖系統掉電時，存儲電路能夠對密碼進行存儲。本電路具備在門鎖設置密碼時，以自動的方式對密碼實施具體存儲，避免因為出現斷電的情況而造成之前所設密碼出現丟失的情況。

2 關鍵技術分析

綜上分析，本章節基于智能門鎖設計的關鍵技術進行相應分析，分析過程如下：

2.1 識別解鎖設計

指紋識別運用AS608指紋模塊，其指紋采集原理是利用光的折射和反射原理，光從底部射向其模塊三棱鏡，并經棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上，根據折射的角度及反射回去的光線明暗程度，構成指紋特征。由于每個人指紋不一樣，構成了唯一的特征數據，通過對所采集到的指紋圖像的特征數據和存放在數據庫中的指紋特征數據進行模式匹配，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結果，根據匹配結果來鑒別用戶身份。

AS608指紋模塊內置有功能強大的DSP芯片，協同CMOS芯片一起完成工作，CMOS芯片的作用是對指紋進行指紋采集，把人體的指紋信息生成指紋特征并存儲以待調用匹配。指紋錄入的步驟大致為：掃描指紋信息、將指紋錄入、內部處理并生成信息、合成一個指紋信息。采集指紋流程如圖2所示，指紋識別流程如圖3所示。

圖2 采集指紋簡化流程

圖3 識別指紋流程

指紋識別設計過程中運用到的命令有：錄入指紋圖像指令、圖像生成特征指令等，在模塊處于上電的狀態下，根據命令進行設計，最終實現指紋感應識別。主設計流程如圖4所示。

2.2 射頻識別模塊設計

采取RFID-RC522射頻接收模塊，該模塊由卡片閱讀機和天線兩部分組成，使用頻率13.56兆赫茲，可以在多個層面上支持ISO14443A標準。RFID系統具體的工作原理是：信號會從閱讀器當中發出，然后經過編碼，編碼后的信息通過于載波信號上，通過施加相應的頻率，然后對天線加以利用，將信息發送出去；同時電子標簽能夠對脈沖信號進行接收，在調制、解碼以及解密之后，讀取卡內相應的電路便能夠對脈沖信號實施判斷[5]。

圖4 指紋識別解鎖主設計流程圖

RC522模塊使用MFRC522芯片來構建讀卡器電路，模塊可直接與RFID卡片閱讀機配套使用。RC522模塊具有3.3V工作電壓，通過SPI接口，僅用少量導線就能與CPU主板相連接，保證了系統的穩定、可靠和遠程閱讀。

2.3 紅外遙控解鎖模塊設計

本模塊主要針對遠程控制智能門鎖進行設置和解鎖工作，通過紅外遙控器編碼和解碼的工作原理，對門鎖進行密碼的設置及密碼的解碼。紅外遙控器設備把數據與某個特定的頻率“一起工作”，進而對數據進行調制和發送，以實現信息的傳輸的和處理。紅外遙控解鎖模塊設計流程如圖5所示。

圖5 紅外遙控解鎖模塊設計流程圖

3 系統調試

設計的智能門鎖系統具有指紋識別/解鎖、射頻解鎖以及紅外遙控解鎖等多種解鎖功能，能有效解決門鎖單一解鎖的問題，全過程操作簡單且智能。下面結合設計要求主要做密碼解鎖和指紋解鎖的測試。

3.1 密碼解鎖測試

密碼解鎖主要是通過指紋識別方式、射頻門卡解鎖方式、紅外遙控解鎖方式達到智能化門鎖的功能。通過按鍵解鎖、指紋解鎖、密碼增刪、密碼變更以及紅外遙控的實踐結果顯示，最終系統成功達成智能門鎖系統的效果。與傳統密碼解鎖過程不同的是，在此設計中，主要通過紅外遙控達到遠距離的解鎖過程。

3.2 指紋解鎖測試

在進行指紋解鎖時，首先進行按鍵解鎖設置、指紋密碼解鎖測試、射頻門卡測試、紅外遙控解鎖。然后進行密碼增刪處理測試。最后進行掉電數據存儲測試、報警情景的測試等。測試結果表明，系統完全達到設計的預期效果，與其他門禁系統相比，該系統具備遠程操控解鎖功能。

第一步：按鍵密碼設置測試。按照實際功能，測試按鍵模塊以及LCD能否正常工作，由于密碼已初始化，則直接輸入密碼解鎖，解鎖成功，如圖6所示。

圖6 按鍵密碼設置效果圖

第二步：指紋模塊測試。當指紋經過錄入之后，自動存儲到內存里，當用指紋開鎖時，系統會自動識別指紋并執行解鎖動作，如圖7所示。

圖7 指紋解鎖測試圖

第三步：進行刪除指紋的測試操作。選擇對應的ID指紋號，進行刪除操作，如圖8、圖9所示。

圖8 指紋刪除選擇ID圖

圖9 指紋刪除成功圖

第四步：RFID射頻卡的測試，這一項類似于指紋的操作，也需要先進行卡號錄入識別，才能開鎖，ID卡是非接觸式的，距離3～5 cm即可感應識別。

第五步：解鎖密碼修改測試，需要先進入系統后臺，輸入原解鎖密碼才能執行修改操作。

第六步：報警功能測試。當輸入的密碼錯誤大于設定的最大值時（本設計設定值為4次），蜂鳴器示警5 min（時間可以更改）。

第七步：掉電存儲功能測試。將密碼進行更改，然后將其存進AT24C02中，斷開電源后再次上電，按鍵輸入新密碼，開鎖電路能夠正確解鎖，AT24C02可以正確存儲需要的信息，說明該功能正常。

第八步：紅外遙控功能測試。根據功能要求及實際情況，在進行紅外遙控解鎖測時，遠程進行密碼設置、更改、解鎖等功能的多次測試，功能正常。

得到以下測試結果（表1）。

表1 功能測試表

根據表1測試數據得出系統的紅外遙控遠程距離密碼設置、解鎖、修改密碼、報警功能等功能正常，表明設計的智能門鎖系統達到設計要求，達到多方式解鎖、管理門鎖的智能化要求。

4 結語

針對智能家居興起的現狀，設計的多功能解鎖的智能門鎖系統具有指紋解鎖、門卡解鎖、紅外遙控解鎖等功能，達到智能化效果，該智能門鎖系統能滿足特定場合的需要，提高門鎖安全性，具有一定的推廣價值。