孫翌晨*，許海雨，朱賢平

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基于CORTEX M3的智能電子鎖的設計與實現

孫翌晨*，許海雨，朱賢平

(中國電子科技集團第28研究所，江蘇南京，210007)

相較于普通機械鎖，電子鎖在安全性、實用性和可操作性上有更大的優(yōu)勢，本文設計了一種以CORTEX M3芯片為核心的小型智能電子鎖。設計了外接設備驅動、數據處理模塊、藍牙通信模塊及電子鎖加密算法。實現了手機終端和電子鎖的傳輸數據、密碼匹配和開關控制。經過測試，該新型智能電子鎖在實際運用中工作穩(wěn)定，各項性均能滿足要求。

電子鎖；藍牙；加密算法

引言

電子鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機械開關的閉合，完成開鎖、閉鎖任務的電子鎖具。其在使用的方便性、防范非法開啟、智能管理等方面是機械鎖具無法比擬的，在對安全要求較高的場所及設施中得到廣泛應用。隨著電子技術發(fā)展和人們安全防范觀念的提升，對鎖具的保密性、可靠性、安全性以及可擴展性提出了更高的要求。當今，雖然鍵盤輸入式和刷卡式電子鎖已得到了廣泛的應用，但這種電子鎖存在操作繁瑣、密碼易泄露、控制方式單一等缺陷。

針對以上問題，本文對CORTEX M3處理器、藍牙4.0模塊和安全令牌加密算法進行了深入研究，提出了基于CORTEX M3的智能電子鎖的設計與實現方案。本設計中，終端根據安全令牌加密算法生成安全令，再由發(fā)送端通過藍牙模塊發(fā)送給鎖具接收端，鎖具將本機的安全令與接收端的安全令進行匹配，判斷是否開鎖。這種方法在安全的前提下，極大地簡化了操作。

1 系統總體設計

1.1 硬件總體設計

基于CORTEX M3 的智能電子鎖的硬件總體框圖如圖1所示。通過按鍵輸入模塊或藍牙的射頻端口接收數據，處理器對接收到的數據進行處理分析，指示顯示模塊和執(zhí)行電機執(zhí)行相應的指令[1]。

圖1 系統硬件框圖

1.2 軟件總體設計

隨著軟件開發(fā)技術的飛速發(fā)展，編程的方法也日新月異。健壯的軟件框架和高效的分層思想，不僅能充分發(fā)揮硬件板卡的性能，而且能為以后系統軟件的移植和升級帶來很大的方便。綜合考慮整個系統的功能需求，本文設計的智能電子鎖采用嵌入式技術[2]。系統軟件分層圖如圖2所示：

圖2 系統軟件框圖

對于整個智能電子鎖，安全穩(wěn)定的通訊機制和簡便的操作流程是衡量系統性能的重要參數。在本設計中，將安全令牌加密算法[3]融入到電子鎖通訊協議中，極大的提高了電子鎖通訊密碼的安全性。除此之外，本智能電子鎖加入了基于藍牙通訊[4]的開鎖方式，操控更加簡單方便。

2 硬件設計

2.1 電源模塊設計

嵌入式系統板卡的工作性能很大程度上取決于系統電源。本設計中選用的STM32F103VET6芯片的電源模塊由USB接口或直流5V接口供電，1個500MA自恢復保險絲，防止短路。電源接口由2.54mm排針引出，5V、3V3、2V5各兩路，GND六路。本設計中的電源模塊如圖3所示。

圖3 電源模塊設計

2.2 RTC時鐘設計

本設計中中，RTC（Real-Time Clock）用于安全令牌生成安全令。安全令牌根據當前時間計算實時密碼，所以RTC的精度尤為重要。為了減少CPU功耗，提高計時精度，本設計中外接時鐘源。RTC時鐘電路圖如圖4所示。

圖4 RTC時鐘設計

2.3 I2C總線接口設計

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線基本系統的器件可以直接用兩條線相連接：一條串行數據線SDA和一條串行時鐘線SCL。I2C總線的串行數據線SDA和串行時鐘線SCL都通過一個上拉電阻與正電源連接，而且在總線不忙時保持高電平。I2C總線具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。本設計的I2C總線接口如圖5所示。

圖5 I2C總線接口設計

2.4 藍牙模塊設計

為了達到操作簡便，降低功耗的目的，本設計中選用cc2540藍牙模塊進行無線數據傳輸。CC2540是一個超低消耗功率的真正系統單晶片，它整合了包含微控制器、主機端及應用程式在一個元件上。 CC2540結合一個優(yōu)異的無線射頻傳送接收器及一個工業(yè)標準的加強型8051微控制器，它包括連接類比及數位感應器的周邊，內建可程式的快閃記憶體，精確的無線射頻訊號強度指示，全速USB 2.0界面，內建AES-128加密引擎。CC2540可讓強固的主控或從屬式節(jié)點以很低的成本建立起來，它具有很低的睡眠模式功率消耗及不同工作模式間短暫的轉換時間，適用于需要超低消耗功率的系統[5]。CC2540藍牙模塊硬件圖如圖6所示

圖6 藍牙模塊設計

3 軟件設計

本設計支持通過基本輸入輸出設備來控制電子鎖。采用的基本輸出設備為7寸LCD液晶顯示屏，輸入方式分為4-wire的電阻觸摸屏輸入和手持終端藍牙傳輸數據[6]。手持終端藍牙操作流程圖如圖7。設備控制流程圖如圖8。

圖7 手持終端流程圖

圖8 設備控制流程圖

4 結束語

本文以CORTEX M3 芯片為核心，動態(tài)密碼和藍牙通信為主要研究內容，設計并實現了一種小型智能電子鎖。該電子鎖采用藍牙協議在設備與手持終端建傳輸數據，通過對時數據和唯一密鑰生成動態(tài)密碼，實現通過手持終端快速、安全地控制鎖具。

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Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3

SUN Yichen*, XU Haiyu, ZHU Xianping

(28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Jiangsu NanJing, 210007, China)

In view of the safety and practicability of the door and safety box，this paper designs a small intelligent electronic lock based on CORTEX M3.The device driver, data processing module, Bluetooth communication module and encryption algorithm are designed and implemented. Data transmission, password matching and switch control between mobile terminal and electronic lock are implemented. After testing, the new intelligent electronic lock is stable in practical application, and all the properties can meet the requirements.

Electronic lock; Bluetooth; Encryption algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.034

TP368.2

A

1672-9129(2018)01-0086-03

孫翌晨, 許海雨, 朱賢平. 基于CORTEX M3的智能電子鎖的設計與實現[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 86-88.

SUN Yichen, XU Haiyu, ZHU Xianping. Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 86-88.

2017-10-11；

2017-12-23。

孫翌晨（1989-），男，助理工程師，主要研究方向為計算機指揮信息系統。E-mail: 2945715417@qq.com