趙乙 郝智誠

摘要：針對中國傳統(tǒng)文化家庭門鎖的弊端，設(shè)計了一款可以基于物聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)智能指紋門鎖。智能門鎖以STM32控制器為核心，采用指紋識別技術(shù)、藍(lán)牙傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)使用指紋或藍(lán)牙門鎖打開功能。智能門鎖在一定程度上消除了傳統(tǒng)家用門鎖的不足，提高了開鎖效率，同時保證了門鎖的安全性，提高了人們的生活質(zhì)量，解決了人們的室內(nèi)財產(chǎn)日常生活和人身安全問題。

關(guān)鍵詞：智能門鎖;STM32;指紋識別;藍(lán)牙;物聯(lián)網(wǎng)

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)是以中國互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)公共電信網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息載體，是互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴(kuò)展的一個特征，具有虛擬性和便于學(xué)生使用，能夠不斷拓大物聯(lián)網(wǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息和資源共享[1]。近幾年，人們生活水平、生活質(zhì)量的不斷上升，對高品質(zhì)生活的渴望使人們對家居智能和便利性的期望越來愈高。為了滿足人們對家庭控制系統(tǒng)的"使家庭更智能"的需要，人們將物聯(lián)網(wǎng)加入到家庭控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對家庭電子設(shè)備、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)和監(jiān)控器等電子設(shè)備的智能控制[2]。通過終端設(shè)備來控制家用電器，可以使生活變得更加便利舒適，同時增加家庭安全性。

門鎖安全性能是極其關(guān)鍵的，高安全門鎖能夠做好第一道家居安全防線的保障。普通學(xué)生的家庭門鎖安全問題一直是廣為爭論的話題，不僅能很容易丟失鑰匙，而且我們的專業(yè)開鎖技術(shù)管理員工作或扒手可以在十幾秒內(nèi)打開普通家用門鎖，這給居民環(huán)境安全帶來了重大的風(fēng)險[2]。現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能家庭結(jié)合了智能門鎖、智能集成電子電路、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)械裝配技術(shù)，采用非機(jī)制鑰匙開門。現(xiàn)代智能門鎖，安全可靠，還具有錄音、提醒等功能，大大地方便了人們的生活。

二、系統(tǒng)概述

智能廚房門鎖自動控制系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)主要功能包括五個組成部分：主機(jī)和控制器的硬件設(shè)計、顯示部分、存儲和部分管理內(nèi)核以及開鎖控制模塊和部分服務(wù)器的部分。智能門鎖控制系統(tǒng)是以stm32控制器為中心的，它通過多個通信協(xié)議控制外部模塊。系統(tǒng)的時間和系統(tǒng)的菜單界面顯示在屏幕上，方便用戶安裝系統(tǒng)，并在使用者操作錯誤的情況下提示用戶;存儲部分主要是用來保存使戶的解鎖密碼、解鎖記錄等數(shù)據(jù)，以方便必需和必要時查閱或搜尋歷史解鎖記錄及家庭成員的流向;核心解鎖模塊包括指紋模塊，讀卡器模塊，鍵盤模塊和手機(jī)藍(lán)牙模塊。服務(wù)器端通過無線模塊收到主控制器發(fā)出的解鎖記錄信息，然后處理這些信息，并將其保存在數(shù)據(jù)庫中，用戶可遠(yuǎn)程登錄查看解鎖信息，通過網(wǎng)上了解該信息的含義。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）終端硬件總體設(shè)計

智能門鎖終端采用STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，采用STM32F103顯示模塊ATKSIMON存儲模塊-開鎖模塊"，外設(shè)開鎖模塊包括指紋模塊、3*4鍵盤模塊、讀卡器模塊和藍(lán)牙模塊，終端還包括使用LCD顯示屏的顯示模塊。使用AT24C256芯片存儲數(shù)據(jù)的模塊，使用ATKSI800C模塊來完成發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)[2][3]。

（二）主芯片的選型和介紹

系統(tǒng)核心為系統(tǒng)芯片。經(jīng)過比較，ARM公司于2006年推出了Cortex-M3內(nèi)核F1系列芯片，以滿足了均本系統(tǒng)對性能、成品成本和功率耗電等方面的需求。首先，COCARDCM2內(nèi)核使用三級流水線和分支預(yù)測技術(shù)，當(dāng)處理器在執(zhí)行時遇到分支指令，處理器可以自動預(yù)測跳轉(zhuǎn)是否發(fā)生，再從所預(yù)測方向取到所需的值，使流水線能夠連續(xù)地執(zhí)行指令，避免"斷流現(xiàn)象"的發(fā)生。此外，該芯片使用哈佛結(jié)構(gòu)，因此該處理器能同時執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)。另外，該芯片使用嵌套式中斷控制器，減少響應(yīng)時間，同時具有THUMB216/32位混合指令集等幾個特性[3]。

本智能門鎖系統(tǒng)主控器選擇STM32F103ZET6芯片。選擇這款芯片有三個原因：首先，該芯片的配置十分豐富，工作最高時間可達(dá)72MHZ，它擁有非常充足的資源，在Cortex-M3內(nèi)核上加入了32位除法指令，同時對乘法操作部件進(jìn)行了改善，使運(yùn)算更加迅速;第二，該芯片配備64KB的靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器，以及512KB的編碼快閃記憶體，方便了系統(tǒng)的使用和更復(fù)雜的操作，并裝載了更大容量的程序;第三，該芯片具有五花八門通信界面，包括5個串口，3個串口外設(shè)接口（SPI），2個集成電路總線（IIC）等接口。此外，除了上述三個方面的問題外，stm32f103zet6還有豐富的外部資源，支持串行調(diào)試等好處[2]。本項(xiàng)目研究的系統(tǒng)設(shè)計采用8080并口式模式及主控制器進(jìn)行信息通訊，共計開發(fā)需要13條信號線對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，其中包括在低電平上通過有效片選信號導(dǎo)腳、閱讀和寫出能信號導(dǎo)腳、數(shù)據(jù)＼指令和控制模塊導(dǎo)腳，以及8位雙向選擇的數(shù)據(jù)導(dǎo)腳[2]。

（三）顯示模塊電路設(shè)計

顯示屏是人機(jī)交互不可缺少的模塊，統(tǒng)使用高亮度、純色屏幕，最大程度地提供了用戶的視覺體驗(yàn)，具有發(fā)光性、高對比度、快速反應(yīng)速率和溫度廣等優(yōu)秀特點(diǎn)。針對本系統(tǒng)，選用的LCD顯示屏尺寸為0.96英寸，驅(qū)動IC為SSD1306，分辨率為128*64。有純藍(lán)色和藍(lán)黃兩種型號，芯片內(nèi)部集成DCDC升壓電路，只需3.3V的供電就可以工作[2]。該接口模塊不僅支持6800和8080并行通訊接口8位，同時它還支持四種串行接口SPI并列接口和4線程的串行接口，這四種串行通訊配置方式分別是在整個模塊的反面和在焊盤上的bs1、bs2中進(jìn)行配置的[2][3]。

本系統(tǒng)所選擇的8080并口方式及主控制器需要13個信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這些信號線都是低電平的有效芯片信號導(dǎo)向器，讀寫訊號引向和數(shù)據(jù)指令控制導(dǎo)向器。還有八位雙向數(shù)據(jù)導(dǎo)腳[3]。

（四）GPRS模塊電路設(shè)計

無線傳輸模塊是該系統(tǒng)的一個重要組成部分，該系統(tǒng)使用一個高性能的GSM/GPRS模塊ATKSI800C作為數(shù)據(jù)通訊，使用串口即可將該模塊連接到主控制器[2]，該模塊能夠在低功率消耗的環(huán)境下傳輸語音，短信，彩訊，藍(lán)牙和GPRS數(shù)據(jù)。等功能模塊的設(shè)計大小玲瓏，有利于安裝，性能穩(wěn)定、價格高。模塊的基本功能如下[2]：

1.支持AT命令控制和串口復(fù)用等功;

2.支持1.8/3VSIM卡接口;

3.gprs傳輸數(shù)據(jù)的速度下行信息傳輸速度大約為85.6kbps，上行數(shù)據(jù)傳輸速度大約為85.6kbps;

4.支持半速率、全速率等編碼方式;

5.支持實(shí)時時鐘;

6.支持PDU模式自勺短信發(fā)送。

為了使用戶的鎖記錄能夠上傳到服務(wù)器端，并將預(yù)警短訊發(fā)送到用戶手機(jī)，本項(xiàng)目將ATK-SIM800C芯片選為無線傳輸模塊，該模塊包含TCP/IP協(xié)議、支持TCP/UDP通信、支持MT/MO/CB/TEXT和PDU模式等其他一些功能，并且模塊通過ATK-SIM800C芯片進(jìn)行了無線傳輸。過AT命令使用了內(nèi)部TCP/IP協(xié)議棧，該模塊中的TCP/IP應(yīng)用了單鏈路和多連接模式，通過AT+CIPMUX=<N>命令來設(shè)置該系統(tǒng)的參數(shù)為0，默許是單鏈路模式[2][3]。

本系統(tǒng)的主控制器與PB10和PB11管腳連接，并與ATKSIMONC模塊中的STXD和SRXD管腳連接[2]。ATKSIMONLD在模塊電路中的引腳STXD模塊管腳與它的STM32F103ZET的引腳PB11管腳交互相連，STXD引腳管腳與它的PB10管腳交互相連[3]。

（五）存儲模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)存儲模塊選用飛利浦公司的24C256芯片，容量256KBIT，32K字節(jié)，用于保存用戶的暗碼、開鎖記錄等信息。在斷電情況下，存儲在模塊中的數(shù)據(jù)不會被遺棄，如果要改變或擦除模塊中保存的數(shù)據(jù)，則可以通過編程方式進(jìn)行[2]。該模塊的價格便宜，使用方便，應(yīng)用廣泛。在本系統(tǒng)中，EEPROM和主芯片STM32通過IIC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，將A0、A1和A2管腳都接地，將EEPROM的地址為0，IIC_SCL接在FPGA的PB6上，IIC_SDA接在FPGA的pb7上[3]。

（六）開鎖模塊電路設(shè)計

1.讀卡器模塊電路設(shè)計

本管理系統(tǒng)主要采用帶有FML702SL定位芯片的EERFID定位射頻模擬讀卡芯片模塊，該讀卡芯片外部具有高度集成化的模擬控制電路，內(nèi)部分別配有一個EEPROM存儲芯片，加密存儲單元及密鑰數(shù)據(jù)保存在此基礎(chǔ)上[2]。除此功能影響外，該控制模塊功能還包括64字節(jié)先進(jìn)后入先出隊(duì)列，一個獨(dú)立可編程的一個系統(tǒng)中斷計時器，一個系統(tǒng)中斷控制信號處理器，以及一個新的串行模擬數(shù)據(jù)先入輸出口，通過一個新的串行模擬數(shù)據(jù)接口輸出。讀寫器芯片模塊和時鐘主輸入芯片模塊使用一個SPI數(shù)據(jù)接口模塊進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)信號傳輸，讀入的寫器模塊是數(shù)據(jù)客戶端，接收指令和數(shù)據(jù)，SPI數(shù)據(jù)接口中的時鐘則由主芯片控制器模塊提供[3]。

2.鍵盤模塊電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中，觸控鍵盤模塊采用飛思卡爾頂級觸控傳感器控制器MPR121[2][3]。該模塊具有很高的靈活性。用增加電極數(shù)量的方法，提高了模塊的觸摸檢測性能，將模塊由電阻式觸摸傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菔絺鞲衅?，?yōu)化了用戶的互動感。模塊采用IIC接口和主控制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA分別和主芯片pb1、pb2進(jìn)行連接，中斷引腳IRQ和pb13進(jìn)行連接。

3.指紋模塊電路設(shè)計

本設(shè)計使用R308指紋模型，采用高速DSP專業(yè)處理芯片，具有指紋輸入、圖像處理和指紋對比度功能，可與各種類型的指紋傳感器相組合，工作流程如下圖2顯示。模塊使用高性能的指紋比對算法，可以在0.5秒至1秒的時間內(nèi)搜索到我們所需要的指紋。通過UART1與主控制器相連，在模塊中設(shè)置手指探測電路，并提供硬件接口，用戶設(shè)備的接口使用6條1.25個單排的插座，間距為6條。

該模塊與主芯片使用串行通信，默許波特率為57600bps，10個傳遞數(shù)據(jù)格式包括：一位開始、停止位、八個低高位數(shù)據(jù)，8個無校驗(yàn)的位置。模塊的初始化工作需要大約500ms的電力才能開始工作[3]。

4.藍(lán)牙模塊電路設(shè)計

ATKHC05藍(lán)牙模塊為體積玲瓏，支持2.0的藍(lán)牙波特率范圍，主機(jī)從機(jī)于一體高性能串口模塊，可與智能設(shè)備如手機(jī)、電腦等連接，具有藍(lán)牙功能。通信距離很長，在開放的地方能達(dá)到10米。根據(jù)模塊狀態(tài)指示燈來確定一個模塊狀態(tài)：指示燈每秒亮一次，表示該模塊已進(jìn)入AT狀態(tài);每秒亮2次表明模塊已進(jìn)入對峙模式;一次點(diǎn)亮2次，兩秒鐘內(nèi)點(diǎn)亮1次表明模塊對配成功。

5.電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用HG7881電機(jī)驅(qū)動芯片控制了電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并將分立電路集成在一個集成電路上，使該芯片有較強(qiáng)的抗干擾性能。該模塊板裝有兩種問題驅(qū)動芯片，可以同時進(jìn)行內(nèi)部控制系統(tǒng)的兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)動，但是本系統(tǒng)僅用作一臺電機(jī)，因此我們可以只需要使用一個管腳，而本系統(tǒng)則使用ENA管腳。電機(jī)驅(qū)動模塊BO和FO管腳與主控制器pf6和pf7管腳相連。

四、控制系統(tǒng)終端軟件設(shè)計

系統(tǒng)集成硬件功能模塊集成電路的硬件設(shè)計形成完畢后，根據(jù)系統(tǒng)硬件功能的設(shè)計要求，編寫系統(tǒng)軟件模塊代碼。本文的系統(tǒng)應(yīng)用軟件的基本設(shè)計使用語言主要是Java和c，它本身使用了一種c編程語言。MDK5是開發(fā)的環(huán)境。代碼編寫完畢后，將代碼下載到一個硬件上進(jìn)行仿真。如果不符合設(shè)計的目的，則立即對程序代碼進(jìn)行調(diào)試。該系統(tǒng)使用STINK在線調(diào)試器下載程序并模擬硬件。該工具支持程序的全速運(yùn)行，并支持單步調(diào)試和斷點(diǎn)調(diào)試方法。軟件完成編寫后，通過SWIM接口連接STINK仿真器主控制器，在配置了仿真環(huán)境之后，將程序燒入芯片[3]。

（一）終端軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)使用?KEIL?MDK5作為一種系統(tǒng)開發(fā)工具，它是COTOREM-M3內(nèi)核處理器最佳開發(fā)工具，集成LTVISION5開發(fā)環(huán)境和REALVIEW編譯器，具有自動配置啟動代碼功能，通過SWD下載程序可以速度達(dá)到50M，使用SIMULATION設(shè)備的模擬環(huán)境，可以增加產(chǎn)品開發(fā)的速度。MDK5將所有MDKCORE軟件作為獨(dú)立軟件安裝包，不再在一個獨(dú)立安裝包中免費(fèi)添加所有裝置器件系統(tǒng)支持和所有裝置硬件驅(qū)動，而是在整個網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)下載正在發(fā)展中的器件所有必需的安裝包[3]。

（二）終端硬件開發(fā)環(huán)境

該測試系統(tǒng)通常使用為：STINK在此離線調(diào)用測試器即可下載應(yīng)用程序并安裝模擬調(diào)試硬件。該調(diào)試工具同時支持應(yīng)用程序的全速啟動運(yùn)行，并分別支持實(shí)時單步自動調(diào)試和實(shí)時斷點(diǎn)自動調(diào)試兩種方法。軟件人員完成程序編寫后，通過一個SWIMK的接口自動連接一個ST-LINK模擬仿真器，并將其硬件配置為一個模擬仿真環(huán)境，然后將仿真程序數(shù)據(jù)寫入仿真芯片[3]。

（三）STM32庫函數(shù)

STM32F10xX作為一款A(yù)RM內(nèi)核的芯片，寄存器數(shù)量很多，如果直接配置寄存器實(shí)現(xiàn)功能就比較煩瑣。所以ST公司針對這個問題開發(fā)了STM32庫，它是對STM32的相關(guān)功能寄存器進(jìn)行了封裝，給開發(fā)者提供函數(shù)接151調(diào)用[3]，開發(fā)者可以移用這些函數(shù)接口完成所需的功能，而不用直接配置STM32的寄存器。使用庫函數(shù)的另一個好處是使用庫函數(shù)編寫的軟件代碼是可讀的[3]。

庫文件中最主要的是Libraries文件夾，該文件夾又包含內(nèi)核庫文件CMSIS和外設(shè)庫文件STM32F10x_STDPERIPH_DRIVER，提到CMISIS內(nèi)核庫文件就需要對行CMSIS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述，該標(biāo)準(zhǔn)是由ARM和芯片廠商共同創(chuàng)建的。是為了自己解決問題不同企業(yè)公司，核外的片上外設(shè)的差異，在不同外設(shè)芯片上移植技術(shù)帶來的困難。

（四）終端軟件總體設(shè)計

終端軟件應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)設(shè)計研究采用模塊化編程教育思想，將硬件驅(qū)動文件和軟件功能實(shí)現(xiàn)社會功能分開，將每個小功能封裝在一個目標(biāo)函數(shù)中，盡量降低企業(yè)與其他模塊的聯(lián)系，這樣學(xué)生可以有效降低信息系統(tǒng)的耦合度，為以后優(yōu)化代碼帶來方便。系統(tǒng)軟件主要包括4個功能模塊：OLED顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、用戶開鎖模塊、存儲數(shù)據(jù)模塊[3]。OLED顯示模塊負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)菜單、系統(tǒng)時間、提示用戶信息;數(shù)據(jù)傳輸模塊使用AT指令控制ATK。SIM800C模塊發(fā)送終端用戶的解鎖記錄信息和預(yù)警信息;用戶可以通過指紋、卡、密碼或藍(lán)牙解鎖。存儲數(shù)據(jù)模塊該模塊將用戶的解鎖密碼、配對密碼和解鎖信息存儲在EEPROM中[3]。

五、結(jié)論

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的興起，以及人們對更高生活品質(zhì)的需求，智慧家庭的概念應(yīng)運(yùn)而生。智慧家庭教育就是我們利用中國互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、人工智能和云計算科學(xué)技術(shù)等新時代信息管理技術(shù)讓各種家居設(shè)施為人們可以提供智能發(fā)展服務(wù)的寓住環(huán)境，據(jù)此創(chuàng)建一個安寧舒服、高效智慧的家庭關(guān)系網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)系統(tǒng)[5]。毫無疑問，若是“物聯(lián)網(wǎng)”時代到來，人們的日常生活將，發(fā)生翻天覆地的變化。然而，不談關(guān)于隱私權(quán)和輻射的問題，單把所有物品都植入識別芯片這一方面，現(xiàn)在為止看來還不太現(xiàn)實(shí)。人們正走向“物聯(lián)網(wǎng)”時代，但這個過程可能需要很漫長的時間。隨著智能門鎖行業(yè)的快速發(fā)展，安全成為智能門鎖發(fā)展的最大障礙。與同類產(chǎn)品相比，本項(xiàng)目的智能門鎖系統(tǒng)成本較低，系統(tǒng)的安全性能和可靠性性能也具有較大的優(yōu)勢，適用于各種工作和生活家庭環(huán)境，更好地解決了工作和家庭財務(wù)安全隱患。測試成果以及社會實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用分析表明該系統(tǒng)進(jìn)行相對成熟，能夠更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)企業(yè)各項(xiàng)管理功能，從而可以解決了鑰匙遺落在鎖上被不法分子利用的問題，避免了財物的損失和危害生命安全的問題[1]。在充分認(rèn)識智能門鎖使用過程中存在的安全隱患后，提出了相應(yīng)的安全防范和保護(hù)措施，形成了統(tǒng)一的評價檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，提高了智能門鎖的生產(chǎn)門檻，以規(guī)范智能門鎖行業(yè)的健康全面發(fā)展，保護(hù)消費(fèi)者的基本權(quán)益。

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