甘國(guó)霖 張德鑫 黃杰華 賴朝健 張曉潔

（廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)崇左市 532200）

基于NFC 的無(wú)線智能門鎖是利用NFC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能鎖的控制，通過(guò)把NFC 技術(shù)和智能鎖的結(jié)合，讓智能手機(jī)利用NFC 功能實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭門鎖的控制。本文利用NFC 的短距離高頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)刷卡即開鎖的便捷。同時(shí)NFC 智能門鎖還配置一鍵指紋解鎖和輸入設(shè)定密碼解鎖，做到手機(jī)不在身邊也能開鎖。NFC 技術(shù)應(yīng)用于門禁鎖，使得門禁的開鎖方式更快捷、便利，使用戶擺脫了按鍵密碼的繁瑣操作和因手指破損無(wú)法使用指紋鎖。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

使用Arduino Mega2560 作為主控板(以下簡(jiǎn)稱主控板)，NFC智能門鎖有四種開鎖模式用于應(yīng)對(duì)不同的情況。NFC 開鎖可以使用帶有NFC 的手機(jī)、手環(huán)、NFC 戒指、非接觸式IC 卡等方式打開門鎖。指紋開鎖是用來(lái)應(yīng)對(duì)手機(jī)、NFC 設(shè)備和IC 卡不在身邊時(shí)，使用指紋實(shí)現(xiàn)開鎖。密碼開鎖應(yīng)用于客人來(lái)家做客或指紋破損的情況，可通過(guò)輸入密碼來(lái)打開門鎖。鑰匙開鎖是為應(yīng)對(duì)鎖體無(wú)電或其三大模塊無(wú)法工作的意外情況，使用鑰匙即可開鎖。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

2 Arduino Mega2560微處理器

Arduino 是一款由意大利工程師共同研制出來(lái)的一款便宜好用的微處理器，通過(guò)在Arduino IDE 上編寫程序代碼通過(guò)USB 傳輸線將程序編譯上傳以后，只需對(duì)Arduino 和所需的硬件進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的接線，主控板就會(huì)完成程序中所有功能的執(zhí)行。

3 NFC模塊設(shè)計(jì)

3.1 NFC-PN532原理

近場(chǎng)通信(NFC)是由射頻識(shí)別(RFID)演變而來(lái)的，它既具備有射頻識(shí)別技術(shù)的高頻無(wú)線傳輸功能，又有優(yōu)于射頻識(shí)別技術(shù)的安全性能。NFC 分有兩種傳輸模式，主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，本文中的PN1-532 使用被動(dòng)傳輸模式。被動(dòng)模式是由發(fā)起設(shè)備，也就是PN-532 作為能量傳遞者，通過(guò)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的方式，將能量傳遞給目標(biāo)設(shè)備，目標(biāo)設(shè)備接收能量后開始運(yùn)行。目標(biāo)設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)后，通過(guò)負(fù)載調(diào)制技術(shù)，調(diào)制電磁場(chǎng)，回傳識(shí)別數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 NFC模塊設(shè)計(jì)思路

NFC 模塊主要核心為PN-532，實(shí)現(xiàn)的功能是保證鎖安全的前提下，使開鎖更為便捷。NFC 模塊是由PN-532 和主控板構(gòu)成，兩個(gè)元器件的連接如表1 所示。

主控板通過(guò)PN1-532 以電磁場(chǎng)的形式向周圍發(fā)送尋卡信號(hào)，若有NFC 功能ID 卡或電子模擬設(shè)備進(jìn)入電磁場(chǎng)范圍，PN-532 通過(guò)RQ 引腳向主控板放送中斷請(qǐng)求信號(hào)，主控板中斷當(dāng)前程序的運(yùn)行，并按標(biāo)準(zhǔn)ISO14443A 發(fā)送指令，讀取卡片信息。信息讀取完畢，使用數(shù)據(jù)傳輸引腳(SDA)與串行時(shí)鐘引腳將卡片信息傳入設(shè)定變量，并通過(guò)調(diào)取原存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與現(xiàn)引入數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比成功，執(zhí)行開鎖，返回信息；對(duì)比失敗，僅返回信息。

3.3 存儲(chǔ)處理

PN-532 所使用芯片80C50 微控芯片沒有存儲(chǔ)功能，對(duì)于讀取到的ISO14443A 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要在主控板實(shí)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置為主控板的上電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM),它可保證在斷電情況下，內(nèi)部數(shù)據(jù)不丟失，但主控板的EEPROM 存儲(chǔ)空間僅為4k 字節(jié)，不能滿足ISO14443A 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議所需的32 位存儲(chǔ)空間。對(duì)此，本文采取梯歸提取方法，將ISO14443A 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)提取為10個(gè)僅1 字節(jié)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以存儲(chǔ)10 個(gè)1 字節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的斷電儲(chǔ)存。如表1 所示。

4 AS608指紋模塊設(shè)計(jì)

4.1 AS608指紋模塊原理

AS608 模塊是ALIENTEK 的一塊高性能光學(xué)指紋識(shí)別模塊。光學(xué)指紋識(shí)別是最早的指紋識(shí)別，也是現(xiàn)應(yīng)用較廣泛的指紋識(shí)別，它的指紋提取方式是以棱鏡為采集平面，將采集的指紋通過(guò)光打到電荷耦合器件。電荷耦合器件通過(guò)對(duì)指紋紋路和紋路間凹陷部分的刻畫，形成算法可以識(shí)別的多灰度指紋圖像。

AS608 模塊內(nèi)有細(xì)分算法，對(duì)捕獲的指紋圖像進(jìn)行去躁、增強(qiáng)、分割、二值化和細(xì)化預(yù)處理，從而達(dá)到去除多余背景，獲得清晰圖像的目的。將清晰的二值化圖像映射到模板上，對(duì)模板指紋進(jìn)行特征提取，提取出指紋中的分叉點(diǎn)、終止點(diǎn)、中心點(diǎn)和三角點(diǎn)。提取的特征點(diǎn)，通過(guò)AS608 模塊內(nèi)置的特征文件緩沖區(qū)存入特征文件。

4.2 AS608指紋模塊設(shè)計(jì)思路

指紋模塊的配置，用于NFC 設(shè)備丟失或遺忘情況，元器件連接如表2 所示。

用戶使用指紋模塊，按下手指，主控板調(diào)取AS608 模塊存儲(chǔ)特征點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前提取的特征點(diǎn)進(jìn)行1：N 匹配模式，也就是對(duì)輸入的特征點(diǎn)模板與存儲(chǔ)庫(kù)中存儲(chǔ)的所有特征點(diǎn)模板進(jìn)行匹配。指紋特征點(diǎn)匹配相似度達(dá)到90%，主控板判斷指紋為一致，動(dòng)作電磁鎖，完成開鎖。

圖1：NFC 智能門鎖總體設(shè)計(jì)圖

5 矩陣模塊設(shè)計(jì)

5.1 4*3矩陣鍵盤原理

矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，本文使用的是4*3 矩陣按鍵，其原理是以4條IO線作為矩陣的行端口，3條IO線作為矩陣的列端口。行端口提供高電平，列端口提供低電平，通過(guò)掃描行端口電平是否被拉低來(lái)判斷有無(wú)按鍵按下，有，確認(rèn)按鍵所在行，并掃描列端口，找出電平拉高所在列。由電平變化所在行列的交接點(diǎn)按鍵作為用戶輸入的按鍵。

5.2 4*3矩陣鍵盤軟件設(shè)計(jì)

本文智能鎖的設(shè)計(jì)采用矩陣按鍵作為人機(jī)對(duì)話方式，通過(guò)行列的變化，確定具體的輸入按鍵，配以程序回應(yīng)用戶的操作。

矩陣按鍵的行列分別與主控板的7 個(gè)數(shù)字端口相連（如表3 所示），主控板為行端口輸出高電平，為列端口輸出低電平。檢測(cè)按鍵狀態(tài)時(shí)，將各行端口進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)算結(jié)果判定按鍵是否按下，若有按鍵按下，確定按鍵所在行；再將各列端口進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，確定動(dòng)作按鍵所在列，借由行列的確認(rèn)，最終完成動(dòng)作按鍵的確定。

檢測(cè)到按鍵輸入，主控板將按鍵信息持續(xù)存入預(yù)設(shè)變量，直至用戶完成密碼的輸入。用戶輸入完整密碼，主控板調(diào)取原存儲(chǔ)矩陣密碼與現(xiàn)輸入密碼對(duì)比，密碼輸入正確，主控板動(dòng)作電磁鎖開鎖，并返回信息，否則僅返回信息。

6 結(jié)論

本文采用PN532、AS608、4*3 矩陣鍵盤、Arduino Mega2560和電磁閥鎖體做出了一個(gè)NFC 智能門鎖，該鎖具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、制作成本低廉、提升空間大等優(yōu)點(diǎn)。

表1：PN-532 與Arduinomega2560 各引腳連接

表2：AS608 指紋與Arduinomega2560 各引腳連接

表3：矩陣按鍵與Arduinomega2560 各引腳連接

7 未來(lái)展望

本文對(duì)智能鎖的制作提供了一種性價(jià)比較高的制作方法，通過(guò)了解Arduino Mega2560、AS608、PN532、4*3 矩陣鍵盤的基本原理和編程方法，將他們通過(guò)一塊Arduino Mega2560 實(shí)現(xiàn)在一個(gè)鎖具內(nèi)控制，探討智能鎖的一個(gè)制作方法和大眾需求，通過(guò)多方面的測(cè)試和意見收集，表明了該作品具有良好的效果和較好的穩(wěn)定性符合大眾的需求和預(yù)期效果。