王安義，楊長江

(西安科技大學 信息與通信工程學院，陜西 西安 7100554)

一種新型智能安全鎖系統(tǒng)的設計

王安義，楊長江

(西安科技大學 信息與通信工程學院，陜西 西安7100554)

針對通信行業(yè)機柜設備保護和管理，設計一款新型的集開鎖、報警、監(jiān)控和區(qū)域化管理為一體的綜合系統(tǒng)。在通過分析智能鎖技術的硬件和軟件的基礎上，提出了一種新型智能安全鎖系統(tǒng)設計方案。探討了智能鎖系統(tǒng)工作的基本原理，并詳細分析了新型智能鎖系統(tǒng)的各個功能及如何實現(xiàn)。該智能安全鎖系統(tǒng)將為后續(xù)通信、電力行業(yè)機柜設備的保護和管理提供有力的幫助。

Web前端；App終端；報警；監(jiān)控；管理；智能鎖系統(tǒng)

0 引言

隨著科技的進步和人們生活水平的提高，人們的安防意識在不斷提高[1]，通信行業(yè)飛速發(fā)展，各個運營商對機柜設備的安全意識也在逐步提升，傳統(tǒng)的機械鎖在保護設備安全上已經(jīng)顯得很吃力，急迫需求一款能夠智能保護和管理機柜設備安全的智能鎖系統(tǒng)。市場上存在各種各樣的智能防盜鎖，隨著微電子技術的應用，出現(xiàn)了磁控鎖、聲控鎖、紅外線鎖、電磁波鎖、電子卡片鎖等一系列的智能鎖，它們廣泛應用于賓館、停車場、樓宇住宅等公共場所[2]。這些智能鎖都是獨立型的智能鎖，主要存在以下幾個問題：(1)功能單一，單獨工作只能被動地防盜，安全因素不高；(2)不能實時上傳數(shù)據(jù)以及實時報警，也不能實時監(jiān)控所有鎖具情況；(3)不能互聯(lián)統(tǒng)一管理，缺少同時兼顧遠程和近端無線開鎖功能?；谝陨蠁栴}，提出一種能夠集遠程和近端同時開鎖的解決方案，根據(jù)該方案設計一款具有統(tǒng)一化管理的新型智能安全鎖系統(tǒng)；該系統(tǒng)對鎖實現(xiàn)統(tǒng)一編碼，通過客戶端實現(xiàn)遠程和近端(應急)開鎖，具有發(fā)現(xiàn)異常立刻報警并及時推送報警消息的功能。該系統(tǒng)將鎖互聯(lián)互通，使其形成一個統(tǒng)一的整體，為今后機柜設備安全提供有力的保障。

1 系統(tǒng)總體方案設計

新型智能安全鎖是基于物聯(lián)網(wǎng)思想，要將所有鎖互聯(lián)并管理，必須通過網(wǎng)絡連接搭橋，考慮到經(jīng)濟與實際問題，選用SIM900A實現(xiàn)硬件和軟件間的網(wǎng)絡通信；為了方便工作人員隨時隨地開鎖，突破傳統(tǒng)的短距離通信，研發(fā)一款手機終端應用(App)，這樣無論用戶在何處，只要有移動網(wǎng)絡就可實現(xiàn)零距離操作；對鎖的控制選用MSP430單片機，它具有低功耗、豐富的片上資源等優(yōu)勢，完全可以滿足對硬件設備的控制。基于以上設計思路，可得出智能鎖安全系統(tǒng)由客戶端(網(wǎng)頁和智能終端)、硬件層和服務器層構成。新型智能安全鎖系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

圖1 智能鎖系統(tǒng)總體結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1硬件系統(tǒng)構成

智能鎖硬件系統(tǒng)是由MSP430F149單片機及紅外模塊、ESP8266WiFi模塊和SIM900A移動通信模塊構成的一種基于GSM網(wǎng)絡的智能鎖硬件系統(tǒng)。硬件層整體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件層結構框圖

2.2硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)

MSP430F149單片機作為硬件層的核心控制器，是一種新型的混合信號處理器，具有更方便高效的開發(fā)調試環(huán)境，還有靈活的時鐘源、中斷源[3]，兩通道串行通信接口及豐富的硬件資源可滿足對外圍設備的控制。SIM900A作為一個橋梁，它連接著遠程網(wǎng)絡和嵌入式系統(tǒng)，兩者之間可以進行數(shù)據(jù)通信[4]，單片機通過串口向SIM900A發(fā)送AT指令[5]，同時通過串口接收來自SIM900A的指令，并進行解析，從而驅動電子鎖和報警裝置；與服務器之間通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺服務器，服務器對相應的指令進行解析，并轉換成相應的消息，更新用戶端；當監(jiān)測到鎖端有異常時，通過信號線立刻將信號反饋給主核心控制器，核心控制器將反饋的信號通過串口發(fā)送至SIM900A[5]，最終消息通過GSM網(wǎng)絡反饋給服務器端，此時Web前端和手機終端也會收到來自服務器的報警消息，并及時通知相關工作人員進行阻止。

3 模塊間通信接口設計

3.1用戶層與服務器間通信接口設計

圖3 用戶層與服務器間通信流圖

在系統(tǒng)中，用戶層和服務器層的通信交互是最為頻繁的，因此其設計必須有多個接口，或者采用線程池的方法，滿足多個用戶同時交互。本設計中采用多個接口開啟后臺Service服務線程并發(fā)的方式，實現(xiàn)服務器完成數(shù)據(jù)交互，其通信基本流圖如圖3所示。

用戶層和服務器之間采用超文本傳輸協(xié)議(HyperText Transfer Protocol,HTTP)進行通信，用戶端使用Android平臺，該平臺封裝了HTTP協(xié)議，在設計接口時，里面應包含反饋字符串、圖片等數(shù)據(jù)，接口設計如圖4所示。

圖4 用戶層與服務器間接口設計圖

3.2應用層通信接口設計

主控制器與SIM900A之間通過串口進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，將數(shù)據(jù)進行封裝，主控制器與SIM900A之間的通信有自己的通信協(xié)議；為了確保通信的正確性，應用層將與服務器之間互相確認才可以進行通信，應用層通信的基本流圖如5所示。

圖5 應用層間通信流圖

通過發(fā)送和接收函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，將獲取的數(shù)據(jù)進行格式驗證，符合協(xié)議標準，將數(shù)據(jù)存放在臨時指針數(shù)組中，方便核心控制器尋找，并實現(xiàn)相應的驅動，接口實現(xiàn)函數(shù)結構圖如圖6所示。

圖6 應用層接口設計圖

3.3服務器層與應用層通信接口設計

服務器層和應用層之間通過無線通信的方式實現(xiàn)遠程通信，SIM900A作為遠程通信的橋梁，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。服務器層與應用層之間也是通過HTTP協(xié)議通信，服務器和應用層之間通信的基本流圖如圖7所示。

圖7 服務器和應用層之間通信的基本流圖

要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接口中應包括接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，必須有數(shù)據(jù)格式檢驗函數(shù)，驅動無線收發(fā)模塊的接口函數(shù)設計如圖8所示。

圖8 服務器和應用層之間的通信接口圖

4 系統(tǒng)軟件設計

智能安全鎖系統(tǒng)的軟件包括單片機控制軟件、Web前端網(wǎng)頁設計、手機終端App。它們之間通過GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)交互，克服以往無法遠距離通信的缺點，使硬件和軟件形成一個相互的整體。

4.1用戶注冊和登錄

通過注冊，驗證身份合法性，若合法則可登錄用戶端。進入主頁面，秉著分權分域的原則，每個設備管理員只能看到自己管轄的基站數(shù)目和位置等信息。登錄注冊的流程圖如圖9所示。

圖9 登錄注冊的流程圖

4.2用戶開鎖

為了開鎖簡單方便，通過點擊列表上的按鈕即可進行開鎖，該過程是通過移動網(wǎng)實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)包格式如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)包格式圖

用戶端將消息打包發(fā)送至后臺服務器，服務器將接收到的信息進行解析，查詢數(shù)據(jù)庫將對應的鎖打開，并反饋用戶終端開鎖成功，開鎖流程圖如圖11所示。

圖11 開鎖流程圖

4.3消息推送

用Notification代替以往的短信提示，節(jié)省了費用，縮短了消息推送的時間。消息推送機制是通過Notification和Service完成的。Service是Android系統(tǒng)開發(fā)中一個重要的組成部分，它是一個沒有界面的組件，主要功能是為Activity程序提供一些必要的支持，一旦啟動Service，它將一直在系統(tǒng)的后臺運行，除非在程序中關閉該功能[6]。將Notification綁定在Service上，在Service內創(chuàng)建線程并設定訪問服務器時間間隔，讓其持續(xù)訪問服務器，達到即時接收即時發(fā)送的目的。為了方便查詢，將開鎖和異常報警消息實時存入Android系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫中。消息推送流程圖如圖12所示。

圖12 消息推送流程圖

4.4Web前端

以往的智能鎖都是以單個形式出現(xiàn)的，并沒有互聯(lián)互通，管理起來比較困難。本系統(tǒng)中，Web網(wǎng)頁管理系統(tǒng)擺脫以往智能鎖之間無聯(lián)系和無管理的困擾，它將整個區(qū)域的鎖全部管理并關聯(lián)起來，實現(xiàn)分權分域，區(qū)域化管理。分權分域使得對鎖的管理更有序，系統(tǒng)不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂，也降低了服務器數(shù)據(jù)的承受壓力，這樣既節(jié)省人力、物力，又節(jié)省了時間，工作人員管理起來更方便，極大地提高了管理效率和設備的安全性。Web前端是集開鎖和管理的綜合性網(wǎng)頁界面，運用超級文本標記語言(HyperText Markup Language,HTML)和層疊樣式表(Cascading Style Sheets,CSS)設計界面，應用Tomcat服務器進行管理并搭載MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)處理和管理，運用Java服務器頁面(Java Server Pages,JSP)編程技術實現(xiàn)網(wǎng)頁和服務器以及數(shù)據(jù)庫間的交互。

4.5單片機軟件

單片機的軟件系統(tǒng)是驅動硬件的關鍵，整個過程就是對AT指令的解析并將解析后的消息進行實現(xiàn)的過程。充分利用MSP430的各個資源，提高代碼的運行效率，減少對通信的延遲；單片機軟件系統(tǒng)采用輪詢檢測服務器是否發(fā)送開門信息的機制，讓消息和指令能夠及時被檢測到，從而達到即時的效果。當沒有檢測到開門信息，而紅外模塊檢測到開門信息時，則發(fā)送報警信息給服務器，然后重置報警信息，軟件再回到輪詢檢測服務器狀態(tài)。流程如圖13所示。

圖13 單片機軟件工作流程圖

5 測試和應用

測試該系統(tǒng)分為兩個方向進行測試，首先是硬件系統(tǒng)的本身耐高溫性，炎熱的夏天該系統(tǒng)能否在溫度超高的機柜內正常工作是非常關鍵的；其次是實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的各個功能。模擬高溫場景，用吹風機高溫風不間斷地向硬件系統(tǒng)吹風，通過黑盒子測試，對硬件系統(tǒng)的各個功能測試如表1所示；對系統(tǒng)的軟件各個功能進行測試，結果是系統(tǒng)正常運行，各個功能完全符合預期。對該系統(tǒng)的整個功能測試完后，發(fā)現(xiàn)單個系統(tǒng)能夠完全正常工作，為了達到實際應用，今后將在鎖的并發(fā)性方面做努力，使完全達到應用場景。

表1 硬件功能測試

6 結論

本文基于GSM網(wǎng)絡設計與開發(fā)了一種新型的智能安全鎖系統(tǒng)，利用MSP430單片機作為鎖端核心控制器，通過SIM900A將消息發(fā)送至公網(wǎng)，實現(xiàn)硬件和軟件的通信；通過PC端進行鎖的區(qū)域管理和數(shù)據(jù)庫基本操作，手機終端App進行遠程和近端(應急)開鎖、消息推送，并實時將開鎖的記錄和報警的消息保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中，方便查詢。本文從功能需求和設計理念出發(fā)，詳細地介紹了智能鎖系統(tǒng)的基本工作原理，并給出了系統(tǒng)框圖和軟件流程圖，講述了系統(tǒng)各個功能特點。本系統(tǒng)對移動、電信、聯(lián)通三家運營商通用，經(jīng)過試驗，該系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠正常工作，是一款適合基站區(qū)域管理和家庭安防局域智能化的重要系統(tǒng)。從此，在傳統(tǒng)的智能鎖上有了質的飛躍和改進，為以后智能鎖的發(fā)展創(chuàng)造有力的保證。

[1] 郭晨,孫曉冬,房大偉，等.基于GSM網(wǎng)絡的智能電子鎖芯無線報警系統(tǒng)[J].南京師范大學學報(工程技術版),2014,14(1):22-28.

[2] 楊世恩.智能電子門禁系統(tǒng)研究與設計[J].通信技術，2011，44(5):68-70.

[3] 劉亞利,敬嵐,喬衛(wèi)民，等.基于MSP430F149型單片機的智能溫度控制系統(tǒng)[J].計算機工程與設計,2006,27(6):1062-1064.

[4] 王磊,王軍.基于SIM900A的嵌入式遠程家電控制器設計[J].蘇州科技學院學報(工程技術版),2014,27(1):76-80.

[5] SIM Technology. SIM900 AT Command Manual V1.03[Z]. 2010.

[6] 李剛.瘋狂Android 講義[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

2017-04-26)

王安義(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向：TD-SCDMA以及TD-LTE系統(tǒng)開發(fā)與應用。

楊長江(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。E-mail:charliyang@foxmail.com。

Design of a new type of intelligent system for security lock

Wang Anyi, Yang Changjiang

(College of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

Aiming at cabinet equipment protection and management in communication industry, a new type of integrated system has been designed in a set of lock, alarm,monitoring,and regional management.Through analysing the hardware and software of intelligent lock technology,a new solution of intelligent safety lock system for a cabinet equipment is proposed.The basic principles of intelligent lock system in working are investigated,and the each function of the new intelligent lock system and how to implement them are analysed in detail.The intelligent safety lock system can provide powerful help for subsequent communication, cabinet equipment protection and management in electric power industry.

Web front-end;the terminal App;alarming;monitoring;management;intelligent lock system

TN97+2;TN915.41

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.022

王安義，楊長江.一種新型智能安全鎖系統(tǒng)的設計J.微型機與應用，2017,36(22)：83-86,98.