張 狄

南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044

0 引言

近年來，隨著社會(huì)科技的發(fā)展，各類科技產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的生活中，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。例如，以往人們出門必須攜帶家中的鑰匙，放在身上有異物感，還要擔(dān)心是否會(huì)遺失，極為不便，在科技進(jìn)步的今天，人們的出行更加追求輕便，因此智能鎖的出現(xiàn)可以說是一種必然趨勢。雖然現(xiàn)在已經(jīng)存在更為高端的指紋鎖系統(tǒng)，但指紋鎖具有一定的局限性。綜合便利與安全考慮，按鍵式鎖與指紋鎖構(gòu)成的一體智能鎖能夠更好地應(yīng)對現(xiàn)實(shí)情況?；诖耍恼略O(shè)計(jì)了一款基于STM32F103單片機(jī)的智能鎖。

1 智能鎖硬件電路

1.1 STM32單片機(jī)

該智能鎖使用的開發(fā)板以STM32F103ZET6作為MCU。該芯片具有64 kB SRAM、512 kB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級定時(shí)器、2個(gè)DMA控制 器、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè) 串口、CAN、3個(gè)12位ADC、12位DAC、SDIO接口、FSMC接口以及112個(gè)通用I/O接口。該開發(fā)板集低功耗、低電壓于一身，管腳資源豐富，同時(shí)保持高集成度且開發(fā)簡易，因此選用此開發(fā)板[1]。

1.2 TFT-LCD模塊

STM32的普通I/O口模擬8080總線來控制TFT-LCD的顯示。TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器，又被稱為真彩液晶顯示器。TFT-LCD與無源 TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，其在液晶顯示屏的每一個(gè)像素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此顯著提升了圖像質(zhì)量。該設(shè)計(jì)采用ILI9341型號3.2寸的TFT屏，擁有像素320×240的高分辨率，并能提供16位真彩顯示，采用16 位的并行方式與外部連接，原因是8位數(shù)據(jù)線會(huì)比16位方式慢1倍以上，而傳輸速度越快越好。

1.3 AS608指紋識別模塊

YH-AS608是野火設(shè)計(jì)的高性能光學(xué)指紋識別模塊。該設(shè)計(jì)采用杭州晟元芯片技術(shù)有限公司AS60x高性能指紋識別芯片，芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元并集成了先進(jìn)的指紋識別算法，具有較高識別精度。模塊內(nèi)部內(nèi)置了手指探測電路，用戶可讀取狀態(tài)引腳（TouchOut）判斷有無手指按下。另外，模塊是通過串口通信向單片機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輸出指紋識別信息的，使用簡單方便。YH-AS608指紋識別模塊性能穩(wěn)定，模塊配備了串口通信接口，由于是內(nèi)置算法處理程序，用戶不需要深入了解算法處理原理。只需按照模塊既定的通信協(xié)議，通過串口向模塊發(fā)送指令，即可對指紋模塊進(jìn)行控制和操作。

2 智能鎖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

2.1 智能鎖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能鎖的各個(gè)組成部分主要包括門鎖控制芯片STM32F103ZET6、矩陣鍵盤、TFT-LCD模塊、AS608指紋識別模塊、蜂鳴器、LED燈等。通過TFT-LCD模塊的液晶屏進(jìn)行人機(jī)交互；矩陣鍵盤進(jìn)行按鍵密碼的輸入修改等操作；AS608指紋識別模塊進(jìn)行指紋獲??；門鎖控制芯片STM32F103ZET6進(jìn)行系統(tǒng)控制與處理；蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；LED燈直觀顯示上鎖狀態(tài)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 智能鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 密碼鎖設(shè)計(jì)部分

智能鎖的密碼鎖部分主要包括4種工作狀態(tài)：已上鎖狀態(tài)、解鎖中（輸入密碼）狀態(tài)、已解鎖狀態(tài)、修改密碼狀態(tài)。通過主控芯片掃描矩陣鍵盤的按鍵，即可進(jìn)入對應(yīng)狀態(tài)完成相應(yīng)功能。

智能鎖初始狀態(tài)為已上鎖狀態(tài)。在此狀態(tài)下，只在屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Locked”。除了“解鎖”按鍵與指紋檢索，其余操作皆無效。初始密碼設(shè)定為1234，通過LED燈亮顯示已上鎖狀態(tài)[3]。

按下“解鎖”按鍵后，進(jìn)入密碼輸入界面。該狀態(tài)下，屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Logging”，以及實(shí)時(shí)顯示已輸入的密碼。通過按鍵輸入四位密碼，輸入時(shí)可通過“刪除”按鍵刪除上一位輸入錯(cuò)誤的密碼。輸入完成后再次按下“解鎖”按鍵即為確定，系統(tǒng)進(jìn)行密碼檢測，檢測失敗則顯示“Wrong Password!”持續(xù)2 s并回到已上鎖狀態(tài)；密碼正確則顯示“Right Password!”持續(xù)2 s并進(jìn)入已解鎖狀態(tài)，通過LED燈滅顯示已解鎖狀態(tài)。解鎖時(shí)由主控芯片進(jìn)行計(jì)數(shù)，若密碼連續(xù)輸錯(cuò)5次則通過蜂鳴器報(bào)警15 s。

已解鎖狀態(tài)下僅在屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Unlocked”。在已解鎖狀態(tài)下按“改密碼”按鍵可以進(jìn)入修改密碼狀態(tài)。屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Changing Password”，以及實(shí)時(shí)顯示已輸入的密碼。在該狀態(tài)下，按鍵功能與輸入密碼時(shí)相同，再次按下“改密碼”按鍵即為確定修改。若密碼大于或不足4位則更改失敗。同時(shí)，可通過“上鎖”按鍵退出該狀態(tài)并直接上鎖，成功更改密碼后也會(huì)自動(dòng)上鎖進(jìn)入已上鎖狀態(tài)。

2.3 指紋鎖設(shè)計(jì)部分

指紋檢索驗(yàn)證的流程主要使用了獲取指紋圖像、生成指紋模板、搜索指紋模板庫、指紋模板比對等指令。

首先，需要獲取按壓在指紋模塊上用戶的指紋圖像，進(jìn)而通過圖像來生成指紋特征值。其次，對指紋庫進(jìn)行遍歷搜索，利用剛生成好的特征值與指紋庫內(nèi)的指紋模板進(jìn)行對比。模板比對成功就完成這個(gè)指紋檢索的流程，若比對失敗則繼續(xù)與指紋庫內(nèi)的下一個(gè)指紋模板進(jìn)行比對。

主控芯片會(huì)根據(jù)指紋模塊提供的指紋模板儲(chǔ)存數(shù)量生成比對次數(shù)上限，使檢索比對的次數(shù)不會(huì)超過指紋模板的記錄數(shù)。若在規(guī)定的5次比對次數(shù)內(nèi)模板均未匹配成功，則指紋檢索失敗，向TFT-LCD屏輸出失敗信息的同時(shí)結(jié)束指紋檢索流程，且通過蜂鳴器報(bào)警15 s。

2.4 按鍵部分

按鍵部分采用4×4的矩陣鍵盤，對應(yīng)按鍵的功能名稱如圖2所示。

圖2 矩陣鍵盤名稱圖

圖2中，A為改密碼/確定，B為刪除，C為登錄/確定，D為上鎖，“*”與“#”按鍵作為保留可供擴(kuò)展。

2.5 TFT-LCD屏顯示部分

在LCD的庫函數(shù)中找到Show_Str（u16 x,u16 y,u16 fc,u16 bc,u8 *str,u8 size,u8 mode）函數(shù)，通過更改各參數(shù)可以改變顯示：x、y 更改起點(diǎn)坐標(biāo)，fc更改前置畫筆顏色，bc更改背景顏色，str為所需顯示的字符串，size更改字體大小，mode更改顯示模式：0為填充模式，1為疊加模式。

該設(shè)計(jì)中所需顯示的內(nèi)容如下：

已上鎖狀態(tài)下，只在屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Locked”。

解鎖中狀態(tài)下，屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Logging”，以及實(shí)時(shí)顯示已輸入的密碼。

密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示“Wrong Password!”持續(xù)2 s，并返回到已上鎖狀態(tài)下的顯示。

密碼正確時(shí)顯示“Right Password!”持續(xù)2 s，并進(jìn)入已解鎖狀態(tài)下的顯示。

已解鎖狀態(tài)下僅在屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Unlocked”。

在修改密碼狀態(tài)下屏幕居中位置顯示當(dāng)前狀態(tài)“Current State：Changing Password”，以及實(shí)時(shí)顯示已輸入的密碼。

3 結(jié)束語

文章結(jié)合智能鎖的實(shí)際需求，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，以STM32F103ZET6為主控芯片，結(jié)合矩陣鍵盤、TFTLCD模塊、AS608指紋識別模塊、蜂鳴器等，設(shè)計(jì)了一款智能門鎖系統(tǒng)。后續(xù)的發(fā)展可以考慮采用國產(chǎn)的低功耗主控芯片；采用無線傳播技術(shù)藍(lán)牙或者Wi-Fi，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能；優(yōu)化人機(jī)交互界面，使得界面更加美觀友好。相信在未來，智能門鎖會(huì)成為智能家居系統(tǒng)中的一部分，讓智能家居走入千家萬戶。