智能門鎖設計

劉彩迪，徐統嘉，劉立業，王瑤，任晨雨，商國旭

（赤峰學院，內蒙古赤峰， 024000）

0 引言

隨著物聯網技術以及工業的發展，各式各樣的門鎖逐漸進入人們的視野，人們出于對家庭和財產的安全考慮，對門鎖的安全需求也越來越高。在日常生活中，人們每天進出家、汽車、車庫和辦公室甚至許多公共場所都必須和門鎖見面，經常會遇到忘帶鑰匙或意外丟失鑰匙的情況。而伴隨智能行業的發展，智能門鎖逐漸走進家庭用戶，通過多種方式進行開鎖，為日常生活提供了很多便利。

1 系統結構設計

本設計的核心處理器為STM32單片機，總體結構如圖 1所示。硬件結構采用模塊化設計，該部分由8個模塊組成，分別是：指紋識別模塊、射頻感應模塊、語音播放模塊、藍牙模塊、顯示模塊、矩陣鍵盤、報警模塊和信息存儲模塊。

圖1 智能門鎖系統的總體結構圖

2 系統硬件設計

■2.1 指紋識別模塊

該模塊是基于AS608的指紋識別模塊，AS608指紋識別模塊是ALIENTEK推出的一款高性能的光學指紋識別模塊。AS608模塊內置 DSP運算單元，集成了指紋識別算法能高效、快速采集圖像并識別指紋特征。模塊配備了串口、USB 通信接口，用戶只需通過簡單的串口、USB 按照通信協議便可控制模塊。模塊接口采用 8 芯 1.25 mm 間距單排插座，模塊內置手指探測電路，用戶可讀取狀態引腳（WAK）判斷有無手指按下。

■2.2 射頻感應模塊

該模塊是基于MFRC522的射頻感應模塊。采用7芯1.25mm間距單排插座，使用SPI接口進行通信。

MFRC522是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度地讀寫卡芯，系統通過與MFRC522連接的天線和IC卡線圈產生共振來傳遞數據，從而完成模塊與卡間的通訊。MFRC522根據寄存器的設置來調制發送緩沖區數據進而得到發送信號，以TX1、TX2引腳驅動天線產生電磁波的形式發送，IC卡采用RF場的負載調制進行響應。同時天線檢測到IC卡的響應信號后，經過天線匹配傳送到RX引腳，MFRC522內部接收緩沖器對其信號進行檢測、解調，并根據寄存器的設置進行相應處理，再將其數據發送至單片機。

圖2 射頻感應模塊電路圖

■2.3 語音播放模塊

該模塊采用ISD公司的ISD4004。 該語音器件采用多電平直接模擬存儲專利技術，聲音無需經A/D轉換和壓縮，每個采樣值直接存儲在片內的閃爍存儲器中，從而避免一般固體錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。圖3為語音播放原理電路。 語音輸入通過話筒（MIC）直接與ISD4004的引腳IN+、IN-連接差分驅動輸入。語音輸出端則是通過LM386放大后連接到電臺的語音輸出端。 系統采用鍵控分段錄放音模式。 通過錄音鍵可錄制10段不同的語音，每段錄音對應鍵盤上一個按鍵，根據所接收到的語音信號，通過10個按鍵可播放不同的語音，使用方便、靈活。

圖3 語音播報模塊電路圖

■2.4 藍牙模塊

該模塊是基于BT08B的藍牙模塊，它是專為智能無線數據傳輸而打造的，遵循 V2.1+EDR藍牙規范。本模塊內置 PCB 射頻天線，支持UART接口和SPP藍牙串口協議。該模塊可通過藍牙將智能門鎖與手機連接，不僅可以實現設置和管理智能門鎖，還可以實現手機端遙控開鎖。

■2.5 顯示模塊

為了使密碼鎖的密碼顯示效果更加人性化，便于操作，該模塊采用SPI觸摸顯示屏，它的控制芯片是ILI9488。背光使用一個三極管驅動，最大支持解析度為：HVGA，分辨率為480×320，接口可以為8位或者16位并口，我們這里是使用16位并口，以發揮STM32的優勢。

系統開機后，顯示器一直處于初始狀態，等待密碼的輸入。當對密碼鎖進行開鎖操作時，按下鍵盤上的數字鍵“0”～“9”來進行密碼的輸入。每按下一個數字鍵后，會在顯示器上顯示一個“*”字符，這是為了保護密碼，輸入多少位就會顯示多少個“*”。當密碼輸入完成以后，接著按下確認鍵。如果輸入的密碼正確，SPI顯示屏顯示“密碼正確”；否則，會顯示“密碼錯誤”。

3 系統軟件設計

■3.1 密碼開鎖

主程序對模塊進行初始化后跳轉到顯示運行界面，用戶通過矩陣鍵盤進行密碼輸入，此時單片機對存儲的密碼和輸入密碼進行匹配，若匹配成功，單片機電路中的控制引腳改變為低電平信號，促使繼電器吸合，進而使得門鎖打開；與之相反，若匹配失敗，則需重新輸入密碼。若連續三次匹配錯誤，單片機的控制引腳變為高電平，進而連通報警電路，使得報警模塊發出警報聲。若輸入的密碼與管理員密碼匹配成功，在開鎖的同時也會進入管理員界面，可進行修改密碼、添加或者刪除指紋信息以及IC卡信息等操作。

圖4 密碼開鎖流程圖

圖5 指紋開鎖流程圖

圖6 刷卡開鎖流程圖

圖7 藍牙開鎖流程圖

同時，該智能門鎖還增加了虛偽密碼功能，虛位密碼作為一種智能防偷窺技術，其操作原理是在正確的開鎖密碼前后輸入任意多位數字，只要中間有連續正確的密碼，就能解鎖開門。簡單來說就是一個公式：任意數字+正確密碼+任意數字，這樣不僅能有效防止密碼被偷窺泄露，還能防止有心人通過殘留的指紋痕跡猜測密碼等情況發生，大大增強密碼的安全性。

■3.2 指紋開鎖

主程序對模塊進行初始化后跳轉到顯示運行界面，用戶輸入指紋，此時單片機對存儲的指紋和輸入指紋進行匹配，若匹配成功，門鎖打開；與之相反，若匹配失敗，則需重新輸入指紋。若連續三次匹配錯誤，報警模塊發出警報聲。

■3.3 刷卡開鎖

主程序對模塊進行初始化后跳轉到顯示運行界面，用戶將IC卡貼近射頻模塊，射頻模塊讀取卡序列號，若序列號與程序設定一致，門鎖打開；與之相反，若不一致，則需重新輸入指紋。若連續三次匹配錯誤，報警模塊發出警報聲。

■3.4 藍牙開鎖

主程序對模塊進行初始化后跳轉到顯示運行界面，用戶打開手機APP，手機APP提示連接藍牙，若不連接，則終止步驟，解鎖失敗，并顯示“連接失敗”；若連接，則執行手機APP通過藍牙模塊調用主控芯片，實現開鎖。

4 結論與展望

本文設計的智能門鎖支持指紋、密碼、刷卡以及遙控四種方式進行開鎖，同時具有報警功能。我們可以通過SPI觸摸顯示屏顯示系統操作界面，進行修改密碼、添加或者刪除指紋信息以及IC卡信息等操作。相比于傳統的機械鎖，本文設計的智能門鎖更加的安全、便捷。相信智能門鎖未來的發展空間極大，普及率將會越來越高。