鄢秋榮， 馬耀中, 柏 歡, 王 騰, 王 斌, 劉昱晟

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330000)

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基于STM32單片機(jī)和移動(dòng)通信模塊的門戶智能鎖網(wǎng)絡(luò)

鄢秋榮， 馬耀中, 柏 歡, 王 騰, 王 斌, 劉昱晟

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330000)

介紹了一種基于STM32單片機(jī)和移動(dòng)通信模塊的門戶智能鎖網(wǎng)絡(luò),具有遠(yuǎn)程控制和智能防盜的功能。解決了當(dāng)前門禁系統(tǒng)存在的報(bào)警系統(tǒng)不完善,戶主無法對(duì)門鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控等問題。該網(wǎng)絡(luò)由智能鎖設(shè)備和手機(jī)終端組成。智能鎖設(shè)備的構(gòu)造主要包括門鎖控制芯片、監(jiān)控模塊(紅外感應(yīng)器、攝像頭、警報(bào)器)、移動(dòng)通信模塊、鎖舌驅(qū)動(dòng)模塊以及供電電路等模塊。智能鎖設(shè)備以STM32單片機(jī)為門鎖控制芯片,通過USART串口向SIM900A模塊發(fā)送AT指令,控制實(shí)現(xiàn)智能鎖設(shè)備與手機(jī)的互動(dòng)。戶主的手機(jī)可接收智能鎖遠(yuǎn)程發(fā)送的文字或者照片，及時(shí)了解門鎖情況，對(duì)門鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。是一種適用于普通居民家庭及商店倉庫等場(chǎng)合的門禁防盜網(wǎng)絡(luò)。

STM32單片機(jī)； SIM900A; 智能鎖網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的提高,人們的安防意識(shí)也在不斷提升,傳統(tǒng)的機(jī)械鎖已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于保護(hù)單位和家庭財(cái)產(chǎn)安全的需要。隨著大型集成電路技術(shù)的發(fā)展,電子密碼鎖向智能化發(fā)展,使電子密碼鎖具有很高的安全性和可靠性[1]?，F(xiàn)有的防盜門禁系統(tǒng),仍然存在以下一些問題:①很多新型的開鎖方式,如磁卡感應(yīng),指紋開鎖,手機(jī)藍(lán)牙開鎖等,只是近距離開鎖,無法對(duì)門鎖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。②安防體系不完善，門鎖發(fā)生突發(fā)事故不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，警情滯后性嚴(yán)重，誤報(bào)瞞報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2-3]。③門禁系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能不夠完善。無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制源在不受時(shí)間和距離限制情況下，對(duì)多處門鎖進(jìn)行控制的功能。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能鎖網(wǎng)絡(luò),包括智能鎖設(shè)備和手機(jī)終端。實(shí)現(xiàn)了一部手機(jī)對(duì)多部門鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。解決了當(dāng)前門禁系統(tǒng)存在的報(bào)警功能不完善，戶主無法對(duì)門鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控等問題。戶主能夠通過智能手機(jī)實(shí)時(shí)掌控門鎖情況，大大提高了門鎖的安全性和實(shí)用性[4]。

1 功能與結(jié)構(gòu)

智能鎖設(shè)備的構(gòu)造主要包括門鎖控制芯片、監(jiān)控模塊(紅外感應(yīng)器、攝像頭、警報(bào)器)、移動(dòng)通信模塊、鎖舌驅(qū)動(dòng)模塊以及供電電路等模塊。如圖1所示。門鎖控制芯片為STM32單片機(jī),能夠?qū)χ悄苕i設(shè)備各模塊進(jìn)行控制。移動(dòng)通信模塊為SIM900A模塊。單片機(jī)通過控制SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)智能鎖與手機(jī)終端的互動(dòng)。移動(dòng)通信模塊可將門鎖信息以文字或者照片的方式傳送到手機(jī)終端，也可接收手機(jī)發(fā)來的短信并傳給門鎖控制芯片。監(jiān)控模塊包括紅外感應(yīng)器,攝像頭及警報(bào)器。智能鎖通過電源適配器供電,在遇到樓棟停電等突發(fā)情況時(shí),會(huì)立即啟動(dòng)備用電源供電,維持智能鎖的正常工作。

圖1 智能鎖設(shè)備構(gòu)造圖

智能鎖網(wǎng)絡(luò)的主要功能為:

當(dāng)智能鎖上的紅外感應(yīng)器感應(yīng)到門外有陌生人靠近時(shí),智能鎖會(huì)將報(bào)警短信發(fā)送到手機(jī)，并控制攝像頭拍照,并將照片傳到互聯(lián)網(wǎng)云終端。

手機(jī)終端需要安裝用來控制智能鎖的手機(jī)應(yīng)用。用戶可以通過應(yīng)用查看短信,以及調(diào)取監(jiān)控照片,來了解門鎖情況。手機(jī)對(duì)門鎖的控制方式有：遠(yuǎn)程開鎖,與智能鎖通話,以及控制智能鎖中的報(bào)警器工作等[5]。

在智能鎖和手機(jī)之間進(jìn)行信息配對(duì)設(shè)置，就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)門鎖聯(lián)網(wǎng)式管理功能,如圖2所示。一部手機(jī)可以對(duì)多部門鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 智能鎖網(wǎng)絡(luò)概念圖

2 硬件電路

2.1 STM32單片機(jī)

STM32F1系列屬于中低端的32 b ARM微控制器,該系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品,其內(nèi)核是Cortex-M3處理器。該系列芯片有多達(dá)9個(gè)通信接口,3個(gè)USART接口。低功耗,性能穩(wěn)定。能工作于-40～105 ℃的溫度范圍[6-7]。

智能鎖設(shè)備中,STM32單片機(jī),見圖3,是門鎖控制芯片,芯片內(nèi)的程序控制著智能鎖的工作。包括接收紅外感應(yīng)的感應(yīng)電平,控制攝像頭、電子鎖舌、報(bào)警器工作,單片機(jī)通過USART串口與計(jì)算機(jī)及SIM900A進(jìn)行通信。串口波特率為115 200 Baud[8]。

圖3 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)的GPIOA8引腳設(shè)置為帶下拉輸入模式,接收紅外感應(yīng)器的輸入電平；GPIOA6引腳設(shè)置為推挽輸出模式,接入鎖舌控制電路控制鎖舌開閉；SP3232芯片用于串行口的電平變換,實(shí)現(xiàn)控制器與通信接口之間的通信。串口1與電源電平轉(zhuǎn)換芯片SP3223相連,USART1_TX為輸出,定義該口的模式為復(fù)用功能的推挽輸出,USART1_ RX為輸入,定義為浮空輸入模式。串口2UART1_ R用來控制SIM900A芯片,USART12_TX為輸出,定義該口的模式為復(fù)用功能的推挽輸出,USART2_ RX為輸入,定義為浮空輸入模式。

2.2 SIM900A模塊

SIM900A模塊是SIMCom公司推出的一款雙頻GSM/GPRS模塊,主要功能有:語音通話、短信收發(fā)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)。SIM900A模塊主要應(yīng)用在通訊領(lǐng)域,如移動(dòng)電話、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、短信提醒發(fā)送、GPRS MODEN。它屬于雙頻GSM/GPRS模塊,完全采用SMT封裝形式,性能穩(wěn)定,外觀精巧,性價(jià)比高,并且能夠滿足用戶的多種需求[9]。

SIM900A連接電路如圖4所示。喇叭電路接SIM900A的SPK_P和SPK_N，麥克風(fēng)電路接SIM900A的MIC_P和MIC_N。兩種電路結(jié)構(gòu)相同。圖中只畫出喇叭電路。

圖4 SIM900A芯片的連接電路

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊采用5 V適配器供電。8 V鋰電池作為預(yù)備電源。為了實(shí)現(xiàn)樓棟斷電鋰電池自動(dòng)工作的功能,兩電源連接了一個(gè)小繼電器后再去接入電路。繼電器有一個(gè)常開和一個(gè)常閉開關(guān)。突然斷電時(shí),繼電器開關(guān)反轉(zhuǎn),鋰電池繼續(xù)給電路供電。在主電路中,主控芯片STM32的工作電壓為2.0～3.6 V,通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V,為使模塊各個(gè)部分正常工作,必須對(duì)兩者進(jìn)行分別供電,分別用MIC29302和ASM1117穩(wěn)壓管穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)[10]。電源管理和供電電路如圖5、圖6所示。

2.4 紅外感應(yīng)模塊

智能鎖設(shè)備采用HC-SR501紅外人體感應(yīng)模塊。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊,采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì),靈敏度高,可靠性強(qiáng)。人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平,人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平,輸出低電平。

圖5 電源管理電路

圖6 電源供電電路

智能鎖設(shè)備中紅外感應(yīng)采用不可重復(fù)觸發(fā)方式(感應(yīng)輸出高電平后,延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束,輸出將自動(dòng)從高電平變成低電平)。感應(yīng)封鎖時(shí)間小于0.5 s。未安裝感應(yīng)透鏡?？紤]到智能鎖設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用,經(jīng)過多次模擬場(chǎng)景與測(cè)試,紅外感應(yīng)范圍為1.5 m,即人進(jìn)入距離門1.5 m內(nèi)紅外感應(yīng)便會(huì)感應(yīng),如果6 s之內(nèi)紅外感應(yīng)持續(xù)感應(yīng)到人員活動(dòng),則啟動(dòng)報(bào)警。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,紅外感應(yīng)能夠完全滿足對(duì)門外陌生人的探測(cè)要求。

2.5 鎖舌驅(qū)動(dòng)模塊

鎖舌驅(qū)動(dòng)電路采用小型繼電器開關(guān)控制。如圖7所示。三極管集電極接STM32開發(fā)板的GPIOA6引腳。IOA6腳設(shè)置為推挽輸出模式(GPIO_Mode_Out_PP)。IOA6腳輸入低電平時(shí),繼電器不工作,鎖舌伸出。IOA6腳輸入高電平時(shí),繼電器工作,開關(guān)閉合，此時(shí)電源給電子鎖舌供電，鎖舌收縮,達(dá)到開鎖的目的。

圖7 鎖舌驅(qū)動(dòng)電路圖

2.6 攝像頭模塊

智能鎖設(shè)備采用ALIENTEK OV7670攝像頭模塊。該攝像頭模塊能完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、度、色度等都可以通過SCCB接口編程。成像效果理想,能夠滿足智能鎖監(jiān)控的需要。

紅外感應(yīng)器輸出高電平到單片機(jī)時(shí),單片機(jī)控制攝像頭拍照。之后單片機(jī)發(fā)送AT指令給SIM900A模塊,控制其用GPRS網(wǎng)絡(luò)將照片發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上云終端。手機(jī)終端可以通過手機(jī)應(yīng)用調(diào)取照片,了解門鎖情況[11]。其流程如圖8所示。

圖8 智能鎖傳送照片流程圖

3 智能鎖軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過USART串口向SIM900A模塊發(fā)送AT命令,控制其實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送、照片發(fā)送和接聽電話等功能。計(jì)算機(jī)能通過USB端口與該系統(tǒng)進(jìn)行通訊,利用編寫的上位機(jī)程序?qū)π枰l(fā)送的開鎖密碼、警報(bào)密碼和用戶手機(jī)號(hào)碼等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。在計(jì)算機(jī)上用Keil uVision 4軟件進(jìn)行所有程序的編譯,最后將程序燒寫到單片機(jī)中[12-13]。手機(jī)應(yīng)用在安卓開發(fā)平臺(tái)上編寫。

單片機(jī)輸出AT指令控制SIM900A完成各種通信功能。用戶可通過AT指令進(jìn)行語音呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能的控制。終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議形成AT指令集,AT指令是以AT開頭,中間的字符對(duì)應(yīng)不同的功能,最后是指令結(jié)束字符串。每個(gè)指令執(zhí)行成功與否都有相應(yīng)的返回信息,為控制提供參考信息[14-15]。如圖9所示。

開鎖程序(部分)如下:

if(TIM_GetITStatus(TIM3,IM_IT_Update)!=RESET) //檢查指定的TIM中斷發(fā)生與否:TIM 中斷源

{

圖9 軟件控制流程圖

TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Updat

e);// 清除TIMx的中斷待處理位:TIM 中斷源

if(strstr(DebugBuf_U2,"RING")!=NULL)//

判斷是否有電話打入

Uart2SendStr("ATA ");//接聽

if((Flag=strstr(DebugBuf_U2,"1003200330

034"))!= NULL)//密碼1234

{

Flag+=13;//13是1003200330034的長(zhǎng)度

if(*(Flag)==0x0D)//字符串的結(jié)束標(biāo)志

{ PAout(6)=1;//開鎖

delay_s(5);

PAout(6)=0;

}

}

}

4 功能實(shí)現(xiàn)與演示

當(dāng)有陌生人進(jìn)入門鎖附近1.5 m范圍之內(nèi),并且6 s之內(nèi)沒有離去時(shí),智能鎖會(huì)發(fā)送“有客拜訪”短信到指定手機(jī)；當(dāng)手機(jī)發(fā)送開鎖指令給智能鎖時(shí),智能鎖能夠在收到短信3 s內(nèi)開鎖。智能鎖與手機(jī)距離在2 m和2 km各做了200次測(cè)試,結(jié)果證明,智能鎖和手機(jī)的互動(dòng)不受距離的影響。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能鎖網(wǎng)絡(luò),主要包括智能鎖設(shè)備和手機(jī)終端。通過移動(dòng)通信模塊實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)智能鎖設(shè)備的控制,主人能夠隨時(shí)隨地了解門鎖狀態(tài),對(duì)門鎖進(jìn)行管理。解決了目前市場(chǎng)上門禁防盜系統(tǒng)存在的報(bào)警功能不完善，戶主無法對(duì)門鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控等問題。當(dāng)門鎖有意外情況發(fā)生時(shí)主人能夠立即獲取門鎖的信息，及時(shí)作出處置。極大地提高了門鎖的安全性。操作簡(jiǎn)單,成本低廉,滿足了大多居民對(duì)安防系統(tǒng)的需要。本智能鎖網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛用于居民家庭或者商店倉庫門鋪等領(lǐng)域,也可向智能化家居和安防系統(tǒng)發(fā)展,前景無限。

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Smart Lock Network Based on STM32 MCU and Mobile Communication Module

YANQiu-rong,MAYao-zhong,BAIHuan,WANGTeng,WANGBin,LIUYu-sheng

(College of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330000, China)

A kind of smart lock network based on STM32 MCU and mobile communication module was designed and presented in this paper. The lock network solves the problems that the current alarm system is imperfect and lack of remote smart monitoring. It has the functions of remote control and smart alarm. It makes up of the smart lock device and the mobile terminal. The smart lock device mainly consists of door lock control chip, monitoring module, mobile communication module, lock-tongue drive, supply circuit and so on. STM32 MCU is used as the lock control chip, it sends the AT command to SIM900A via the USART serial interface module, and realizes the smart lock device interact with mobile phones. Householder can know house condition by text and photos about house sent by smart lock. In conclusion, It is a kind of security alarm systems, and applicable to ordinary households and commercial tenants.

STM32 MCU； SIM900A； smart lock network

2015-04-10

江西省教改重點(diǎn)課題(JXJG-14-1-8)

鄢秋榮(1982-),男，江西寧都人，博士，副教授，研究方向：無線通信系統(tǒng)。

Tel.: 13755756837; E-mail: Yanqiurong@ncu.edu.cn

TN 399

A

1006-7167(2016)03-0115-04