一種智能藍牙指紋密碼鎖的設計與實現

胡艷茹

（寧夏師范學院，寧夏 固原 756000）

0 引 言

一直以來，人們為了保護人身和私有財產安全，發明了很多種門鎖，且每種門鎖都需要用獨一無二的鑰匙去開啟。隨著時代的發展，人口大幅度上升，加上人們生活越來越好，置辦的房子也越來越多，以致在門鎖安全意識方面也逐漸增強，對門鎖的要求也隨之上升[1]。僅僅是方便使用還不夠，同時還要求更加安全可靠。因此，傳統門鎖的安全性，早已無法滿足社會發展的現實需要。畢竟，傳統門鎖要隨身帶著一大串鑰匙，非常不方便。同時傳統的鎖具構造還是過于簡單，所以門鎖被撬是很常見的。為了解決上述問題，滿足人們的需求，各種電子密碼鎖應運而生[2-3]。電子密碼鎖由2 部分組成：一是電子電路控制系統；二是機械部分。通過兩者的結合，電子鎖更難被破環，而且密碼設置非常難以破解，倘若嘗試破解，若錯誤則會立刻發出報警聲。這一系列手段都大大提高了門鎖安全性。同時，電子密碼鎖用密碼等手段替代鑰匙，解決了鑰匙易丟失以及被偽造的問題。

本文設計了一個由單片機控制的藍牙指紋密碼鎖控制系統，其能達到的功能如下：

（1）數字密碼開鎖：采用6 位密碼，若是密碼正確，鎖會打開；同時，可進行密碼更換。

（2）指紋開鎖：利用指紋生物特性，以唯一性同時實現安全防護和快捷便利開鎖的目標。

（3）手機藍牙開鎖：利用無線技術，以藍牙為媒介，讓手機連接門鎖，進而實現無線解鎖。

（4）智能報警防盜；若輸入密碼不對或指紋不清晰，會發出提醒；若三次輸入錯誤密碼，則鎖定輸入密碼電路一段時間。

（5）管理員權限模塊：錄入指紋、刪除指紋、手動開鎖、修改密碼四項。

1 系統總體設計

基于單片機的藍牙指紋密碼鎖控制系統的總體框架設計如圖1 所示。本設計的中心控制器是STC89C52 單片機，負責數據處理，并且數據會從中心控制器反饋顯示在LCD 顯示模塊上，讓操作者知道下一步的具體操作。繼電器模塊則是最終執行端，完成開鎖動作。蜂鳴器報警模塊受單片機控制，要按照程序設定，及時長鳴報警。

圖1 基于單片機的藍牙指紋密碼鎖系統的總體框架

在具體的功能實現上，此次設計設想將電子鎖控制制定為2 個模式，可以簡易理解為前后臺模式。在前臺模式下為一般操作，直接面對開鎖者，讓其直接輸入指紋、數字密碼或者連接藍牙開鎖。在后臺模式下，只有管理員才有權限進行操作，具體操作為指紋的添加及刪減，以及必要時刻的手動開鎖和數字密碼修改。

首先，在一般操作模式下，按下一個選擇鍵，直接選擇數字密碼開鎖；輸入6 位數字密碼，再按下確定鍵，若密碼正確即可實現開鎖，再按下任意一個鍵即可返回主界面。倘若輸入的6 位密碼是錯誤的，會在顯示屏界面中，顯示輸入錯誤的提醒，以及剩余輸入密碼的次數。當3 次輸入數字密碼錯誤之后，蜂鳴器長鳴，并且數字密碼電路會鎖死一段時間。刷指紋開鎖也是同樣的道理，開鎖者在指紋頭上“輸入密碼式”地刷自己的指紋即可，指紋識別成功便開鎖；若指紋無法識別，蜂鳴器也會長鳴報警。藍牙開鎖在某種意義上是以藍牙模塊為接收端，手機APP 作為發送端。本次設計中藍牙芯片接收來自手機APP 的數據信息，并以串口通信的方式將數據信息傳送到單片機，讓單片機對數據信息進行處理。如此，就算是實現了單片機微控制器與手機APP 之間的無線通信。藍牙開鎖本質上是以手機APP 替代實物鍵盤，相當于將線下的實物鍵盤搬到了線上。

其次是管理員模式操作，這是基于總設計任務以及硬件仿真中的設計目標而設計出來的一個模式，其負責“后勤”管理，為前臺操作做準備。比如指紋的增加和刪除、密碼的更改都在此模式下操作。同時，為以防萬一，管理員還能直接按鍵開鎖。指紋錄入就是錄入圖像、合成模板，每個指紋都有自己的編號，這是按照錄入的先后順序排列的。刪除指紋時，只需要輸入相應的指紋編號即可。手動開鎖就是一個應急開關，防止指紋因為環境不能應用并且忘記數字密碼的情況。修改密碼是需要輸入2 次新密碼，完成之后即可生效，再輸入舊密碼一定是無效的。

最后，需要注意的是，本次設計選用的STC89C52 的串行輸入口（P3.0--RXD）和串行輸出口（P3.1--TXD）都只有1 個，所以指紋、藍牙2 個模塊共用這2 個串行口，即P3.0（RXD）、P3.1（TXD）。因此，在電路設計中，使用了2 個行程開關實時切換，使得STC89C52 得以控制這2 個模塊的通信。具體情況是，2 個行程開關斷開的狀態下是藍牙模塊與STC89C52 的串口連接，2 個行程開關閉合的狀態下是指紋模塊與STC89C52 的串口連接。

2 軟件設計

根據設計任務建立了基本框架和設定了各模塊的功能之后，開始利用Keil 編寫程序。在硬件設計中對各個模塊部分的設定已經完成。利用Keil 編寫的程序也是以此為基礎。

本次設計的主程序主要由液晶顯示、指紋程序、按鍵程序共3 部分組成。指紋及按鍵密碼子程序中具體包含的程序塊分別有：密碼開鎖、刷指紋開鎖、管理員權限、增加指紋、刪除指紋、更改密碼、手動開鎖。規劃后制定出來的程序流程如圖2 所示。

圖2 主程序流程

2.1 數字密碼開鎖

在硬件設計的基礎上設計出來的程序流程如圖3所示。

圖3 數字密碼開鎖流程

2.2 指紋開鎖

指紋開鎖子程序設計的編寫即是完成刷指紋開鎖這一個程序方塊。刷指紋則要自動驗證指紋，即錄入開鎖者指紋圖像便會生成圖像特征，如此照單搜索查找[4-8]。刷指紋開鎖的程序流程如圖4 所示。

圖4 指紋開鎖流程

2.3 藍牙開鎖設計

本文設計的藍牙開鎖方案是下載一個手機藍牙APP 應用替代實物鍵盤，建立一個移動的線上鍵盤。藍牙開鎖所應用的是前面開發編譯的指紋按鍵密碼等的C 語言程序。在這里重點講的是藍牙配置的設計，這個配置是要給藍牙模塊進行基本的參數設計，包括藍牙的名稱、配對密碼、工作模式、串口波特率等特性參數設定[9]。進行藍牙模塊參數設定時，可以在電腦上下載一個應用，即串口調試軟件。然后，可用USB-TTL 使得藍牙芯片連接電腦，讓芯片在AT 模式中完成參數設置。

首先是工作模式參數設計。藍牙模塊一般會有3 種不同的工作模式，分別為主機、從機和回環這3 種工作模式[10]。主機的連接配對都是自動進行的，從機的配對連接是被動等待，回環的配對連接也屬于被動，但是它會將接收的數據保持不變地原路傳送回藍牙主設備[11]。本次設計中，HC-05 藍牙芯片模塊要與手機APP 連接以接收數據，所以扮演的是接收端的角色，故HC-05 藍牙芯片要設定為從機模式，手機才是主動連接的發送端。其次是藍牙的名稱和配對密碼的設置。只有確定一個準確的名字才能在眾多的藍牙設備中快速搜索并確定，同時設置一個比較高級的連接密碼也是實現防盜的關鍵性一步。最后，還要設計好串口波特率，讓藍牙芯片的波特率與單片機保持一致[12-13]。

2.4 管理員權限子程序設計

如圖5 所示，在主程序流程圖中設定了管理員模式，模式內部包含錄入指紋、刪除指紋、手動開鎖、修改密碼4 項。因此，管理員模式的程序設計篇幅極大，先是管理員權限程序設定，而后再編寫4 個項目。管理員權限程序設定主要是LCD 顯示設計、按鍵功能定義。錄入指紋程序設計首先開始錄入指紋圖像，再生成圖像特征形成模板，最后排序標注好序號存儲[14-15]。刪除指紋的程序設計相對簡單，只要編寫函數完成搜索即可設定刪除。修改密碼需要進行多項編寫設定，手動開鎖則相對簡易。

圖5 管理員流程

3 系統調試

系統上電以后，整體實物演示畫面如圖6 所示。其中，1 是STC89C52 單片機控制芯片，2 是LCD12864 液晶顯示屏，3 是AS608 指紋頭，4 是HC-05 藍牙芯片，5 是選擇藍牙和指紋電路的行程開關，6 是5 V 有源蜂鳴器，7 是5 V 松樂繼電器，8 是4*4 按鍵矩陣，9 是5 V 電源。

圖6 整體實物演示畫面

下面分4 個模塊進行具體的調試，分別演示達到的功能。

（1）數字密碼開鎖調試

首先，在上電之后，LCD12864 液晶顯示屏會明確顯示“歡迎使用，指紋門禁系統，請按C 鍵開鎖，請按手指開鎖”。當選擇C 鍵后，有“請輸入密碼開鎖”的界面提示。數字密碼一共6 位，但是顯示的數字都以“*”代替，這是防泄密的設定。顯示界面如圖7 和圖8 所示。

圖7 系統上電界面

圖8 輸入數字密碼開鎖界面

密碼正確后鎖打開，有紅燈亮起作為模擬結果，并顯示“門已打開”，其界面如圖9 所示。幾秒后下一行再出現一行字“按任意鍵繼續”，界面如圖10 所示。密碼錯誤后提示“密碼錯誤，還有2（1）次機會”，界面如圖11 所示。

圖9 數字密碼開鎖成功界面

圖11 密碼錯誤界面

（2）指紋識別開鎖調試

當手指伸向指紋頭時，可被感應到，并且屏幕跳轉，顯示“請按手指開鎖”，如圖12 所示。若要選擇指紋開鎖，需要先按下2 個行程開關，再按下手指完成識別，沒有錄入存儲的指紋則無法識別，提示搜索不到的界面如圖13 所示。若能識別通過，繼電器會有動作，LED 紅燈也會亮起，并顯示“門已打開，編號003（001）”，其界面如圖14所示。

圖12 指紋頭感應到指紋界面

圖14 指紋成功開鎖界面

（3）藍牙開鎖調試

完成手機藍牙APP 與HC-05 藍牙芯片連接之后，即可讓手機藍牙APP 替代線下鍵盤的眾多操作，比如數字密碼開鎖、進入管理員模式等。具體如圖15、圖16、圖17 所示。

圖15 手機線上鍵盤

圖16 線上數字密碼輸入界面

圖17 線上開鎖界面

（4）管理員模式調試

若想進入管理員模式，選擇按鍵A。在管理員模式中，顯示屏上提示“按鍵1，增加指紋；按鍵2，刪去指紋；按鍵3，手動開鎖；按鍵4，修改密碼”。顯示界面如圖18 所示。

圖18 管理員模式

按下2 個行程開關，再按下鍵1，選擇增加指紋，此時會有提示“請按手指”，如圖19 所示。指紋有點臟時會影響采集效果，導致指紋采集失敗，如圖20 所示。手指擦拭干凈之后，指紋采集成功，并賦予編號，如圖21 所示。

圖19 添加指紋界面

圖21 添加成功界面

選擇鍵2，進入指紋刪除，如圖22 所示。指定要刪除的指紋號，即可顯示“刪除指紋號成功”，如圖23 所示。緊急情況下，進入管理員模式，按下鍵3，就可以馬上開鎖，如圖24 所示。

圖22 輸入指紋號界面

圖23 刪除成功界面

圖24 手動開鎖界面

選擇鍵4，進行密碼更改，界面提示“請輸入新密碼”，而后直接輸入新密碼，如圖25 所示。第一次輸入新密碼后，界面再次提示“請再次輸入新密碼”，如圖26 所示。完成兩次后，密碼修改完成，如圖27 所示。

圖25 新密碼首次輸入界面

圖26 新密碼再次輸入界面

圖27 密碼修改完成界面

4 結 語

本文設計了一種智能藍牙指紋密碼鎖，可以通過數字密碼、手機藍牙APP、指紋3 種方式開鎖。首先是采用6 位數字密碼輸入，密碼輸入正確可驅動開鎖，同時正確輸入1 次密碼后即可進行密碼更換；若3 次輸入錯誤密碼，則蜂鳴報警并且鎖定輸入密碼電路一段時間。其次是利用生物指紋特性解鎖，若指紋不清晰或者不對應則蜂鳴報警，以唯一性同時實現安全防護和快捷便利開鎖的目標。最后實現手機藍牙APP 無線解鎖，使手機藍牙APP 與單片機連接，當手機藍牙APP 完成連接后就可以替代固定的線下按鍵鍵盤，以數字密碼的方式開鎖。此款多功能電子鎖，不僅解決了便攜性的問題，更是大大增強了防盜性。