魏春榮 趙松巖 王李銘 王樹(shù)桐 孫建華

（1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司研究院，黑龍江 哈爾濱 150056）

0 引言

窨井作為城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，多設(shè)置于人員活動(dòng)密集的場(chǎng)所，由于長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)窨井的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等方面存在不足之處，因此使用窨井蓋會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)安全問(wèn)題，絕大多數(shù)窨井蓋只是具有井蓋的基本功能，沒(méi)有注重窨井蓋監(jiān)控監(jiān)測(cè)方面的設(shè)計(jì)，影響公眾出行安全性，為保障人們的出行安全，對(duì)現(xiàn)有窨井蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

在國(guó)外的某些國(guó)家，有關(guān)窨井蓋的設(shè)計(jì)都比較合理，對(duì)窨井的設(shè)置地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每隔一段距離設(shè)置1 個(gè)窨井蓋，并與周圍建筑協(xié)調(diào)，當(dāng)出現(xiàn)窨井蓋缺失的情況時(shí)，窨井顯得更突兀，從而引起行人注意，避免墜井安全事故發(fā)生[1]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于窨井蓋的自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警和機(jī)械安全碼進(jìn)行深入研究[2-7]。目前，在智能終端的穩(wěn)定性、通信線路的成本、工程實(shí)施階段的質(zhì)量控制和對(duì)井蓋管理的考核標(biāo)準(zhǔn)等方面都還存在一些不足，合理的窨井蓋設(shè)計(jì)關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，該文采用動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)加強(qiáng)窨井蓋安全防盜性具有重要意義。

1 動(dòng)態(tài)密碼防盜設(shè)計(jì)

為保障窨井蓋在日常使用過(guò)程中安全，該文設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)來(lái)保證窨井蓋的防盜，通過(guò)HC-05 藍(lán)牙模塊向工作人員傳輸數(shù)據(jù)，整體程序使用Keil5 來(lái)編寫(xiě)，同時(shí)為程序的整體優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

在主函數(shù)的循環(huán)中，首先通過(guò)Get_Adc_Average（）函數(shù)獲取ADC 通道的電壓值，并將得到的電壓值作為srand（）函數(shù)的種子，隨機(jī)生成數(shù)列，再將隨機(jī)生成的數(shù)列與10000取余來(lái)確保得到四位數(shù)的密碼。逐位比對(duì)密碼時(shí)設(shè)置正確right 計(jì)數(shù)，每對(duì)一位，right 自增1，當(dāng)且僅當(dāng)right 的值為4時(shí)才能正確解鎖且此時(shí)right 值清零，否則失敗計(jì)數(shù)times 自增1，當(dāng)times 值大于2 即輸入密碼次數(shù)錯(cuò)誤超過(guò)3 次，則會(huì)使BEEP 的電平拉高，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。中斷器每0.5s 中斷一次，因此計(jì)數(shù)counter 每600 歸零一次，保證一個(gè)動(dòng)態(tài)密碼持續(xù)時(shí)間有5 min。同時(shí)將得到隨機(jī)數(shù)按位取余得到4 個(gè)數(shù)字，用于后續(xù)用戶輸入密碼進(jìn)行比對(duì)。

2 模塊程序設(shè)計(jì)

2.1 蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)

有源蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過(guò)使用偏置電阻對(duì)有源蜂鳴器進(jìn)行保護(hù)，其中三極管相當(dāng)于是蜂鳴器的開(kāi)關(guān)。當(dāng)三極管處于飽和狀態(tài)時(shí)，電路導(dǎo)通使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，反之不會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。此外，蜂鳴器模塊還外接了運(yùn)算放大器8050，起到放大信號(hào)的作用，更易于進(jìn)行分析和處理。當(dāng)電流信號(hào)未超過(guò)閾值時(shí)單片機(jī)發(fā)出的是低平信號(hào)，一旦超過(guò)閾值，單片機(jī)就會(huì)發(fā)送高平信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。蜂鳴器電路程序設(shè)計(jì)流程如下：首先，對(duì)其系統(tǒng)初始化，然后檢測(cè)負(fù)載支路的電流信號(hào)，檢測(cè)完成后向STM32 發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，由微處理器來(lái)判斷當(dāng)前狀態(tài)，如果沒(méi)超過(guò)閾值則使蜂鳴器不發(fā)出警報(bào)；如果檢測(cè)到的電流信號(hào)超過(guò)閾值，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，然后返回中斷等待程序結(jié)束運(yùn)行。

圖1 蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 顯示屏程序設(shè)計(jì)

該文采用TFT-LCD 液晶顯示屏作為動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)的顯示模塊。由圖2 可知，TFTLCD 共有35 個(gè)端口。其中1 號(hào)和3 號(hào)引腳為接地端口，2 號(hào)和3 號(hào)引腳為VDD 電源輸入口，外接3.3V 即可完成供電，4 號(hào)引腳是CS 信號(hào)端口，5號(hào)引腳為導(dǎo)頻信號(hào)端口，6 號(hào)和7 號(hào)引腳分別為數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)端口，8 號(hào)引腳為復(fù)位端口。DB0-DB15 引腳為16 個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)端口，用于單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。TFT-LCD 顯示是通過(guò)內(nèi)部像素點(diǎn)的方式顯示畫(huà)面的，像素點(diǎn)以矩陣狀態(tài)進(jìn)行分布，通過(guò)矩陣操作變換使字符畫(huà)面變換，保證TFT-LCD 正常運(yùn)行，即保證其內(nèi)部矩陣模塊工作正常。TFT-LCD 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是功耗較低，可以節(jié)約成本。顯示屏程序設(shè)計(jì)流程如下：首先為系統(tǒng)初始化，顯示邊框以及虛擬鍵盤(pán)，如果不能正常顯示虛擬鍵盤(pán)就會(huì)一直進(jìn)行初始化，直到正常顯示虛擬鍵盤(pán)。之后就會(huì)檢測(cè)是否有輸入值，如果有輸入值則循環(huán)顯示輸入值，如果沒(méi)有輸入值則會(huì)在刷新屏幕后返回中斷。在設(shè)置好虛擬按鍵的邊框后，劃分虛擬按鍵的功能區(qū)域?yàn)?×4 的矩形區(qū)域，并且通過(guò)LCD_Fill（）函數(shù)填充虛擬按鍵背景色，從而達(dá)到觸摸虛擬按鍵變色的效果，增強(qiáng)交互性。

圖2 TFTLCD 電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密碼的遠(yuǎn)距離傳輸，將STM32 生成的密碼傳輸?shù)绞謾C(jī)等移動(dòng)終端上。該文選擇高效可靠的無(wú)線藍(lán)牙傳輸技術(shù)，通過(guò)HC-05 藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。HC-05藍(lán)牙模塊不僅本身性能優(yōu)越而且其功耗也較低，支持的波特率范圍較為寬泛：2400～1382400，且兼容3.3 V 或5V 系統(tǒng)。HC-05 藍(lán)牙模塊的參數(shù)見(jiàn)表1。藍(lán)牙模塊采用Bluetooth2.0 傳輸協(xié)議，只需TTL 電路就能驅(qū)動(dòng)。STM32 單片機(jī)每個(gè)GPIO口都配有內(nèi)部的上拉、下拉電阻，通過(guò)寄存器控制，方便藍(lán)牙模塊與單片機(jī)相連[8]。HC-05 模塊通過(guò)串口線進(jìn)行連接通信，包括RXD，TXD。

表1 HC-05 性能參數(shù)

HC-05 的所有功能都是靠AT 指令集控制實(shí)現(xiàn)的，設(shè)置相應(yīng)的AT 指令后即可工作在相應(yīng)的狀態(tài)，在進(jìn)入AT 指令模式前要拉高KEY 引腳的電平；反之，退出AT 指令則拉低KEY 引腳電平。在與STM32 連接中，KEY 引腳與GPIOA_Pin4 相連，RXD 與GPIOB_Pin10 相連，TXD 與GPIOB_Pin11相連，使能端VCC 接的是5V 的電源。

3 動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)測(cè)試

3.1 HC-05傳輸距離測(cè)試

一般HC-05 默認(rèn)通信距離為10m，但在實(shí)際使用過(guò)程中HC-05 的傳輸距離可達(dá)到10m 以上，在環(huán)境空曠的情況下一些較為專業(yè)的藍(lán)牙模塊甚至可達(dá)到30 米的傳輸距離[9]。在傳輸距離測(cè)試中，先發(fā)送8 組數(shù)據(jù)，然后暫停10s，如果能重新發(fā)送數(shù)據(jù)，則說(shuō)明當(dāng)前的藍(lán)牙連接有效。由表2 可知，為HC-05 的傳輸距離測(cè)試結(jié)果。在20m 內(nèi)，HC-05 藍(lán)牙連接是很穩(wěn)定的，數(shù)據(jù)能夠成功傳輸至移動(dòng)終端；在24m～26m時(shí)，藍(lán)牙連接開(kāi)始不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)會(huì)發(fā)送失敗，藍(lán)牙連接也會(huì)經(jīng)常斷開(kāi)；在28m 時(shí)，藍(lán)牙連接完全斷開(kāi)，無(wú)法重新連接且數(shù)據(jù)傳輸失敗。因此HC-05 的有效傳輸距離在20m 左右，可以滿足工作人員打開(kāi)窨井蓋日常作業(yè)的要求。

表2 HC-05 傳輸距離測(cè)試

3.2 藍(lán)牙有效距離RSSI 測(cè)試

在不同距離下測(cè)量RSSI 值時(shí)判斷藍(lán)牙連接能力強(qiáng)弱的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，為了方便數(shù)據(jù)收集整理，本次測(cè)量距離采用5m、10m、15m、20m 四種距離。HC-05 模塊可以使用AT指令：AT+INQ 便可以查詢?cè)诓煌恢脮r(shí)的RSSI 值。根據(jù)傳輸距離測(cè)試的結(jié)果，每組測(cè)量50 組RSSI 值。

從圖3 中可知，在5m 的位置上，HC-05 的接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI 在-65dBm～-50dBm 浮動(dòng)，顯示出非常穩(wěn)定的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸信道，該位置的平均RSSI 值為-60.34dBm，符合測(cè)量結(jié)果。在10 米的位置上，接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI 與5m 位置相比更低，RSSI 值在-75dBm～-64dBm 浮動(dòng)，其平均RSSI 值為-70.12 dBm，符合圖中的分析結(jié)果，同時(shí)也說(shuō)明 10 m 這個(gè)位置的數(shù)據(jù)接收是穩(wěn)定的。在15 m 的測(cè)量位置上，前6 組測(cè)量結(jié)果顯示RSSI 值在-82dBm～-75dBm 浮動(dòng)，期間接收強(qiáng)度偶有變?nèi)?，隨后RSSI 值在-75dBm～-65dBm 浮動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)強(qiáng)度也得以恢復(fù)，說(shuō)明在15m 的位置上數(shù)據(jù)傳輸總體情況是良好的，其平均RSSI 值為-72.42 dBm。在20m 的位置上，接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI 均在-85dBm～-75dBm 浮動(dòng)，有些浮動(dòng)變化較大，其間數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)強(qiáng)度明顯變?nèi)?，該位置上的平均RSSI 值為-78.06 dBm，與HC-05藍(lán)牙模塊的RSSI 接收閾值非常接近，說(shuō)明20m 這個(gè)位置數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤概率較大，數(shù)據(jù)容易中斷。從測(cè)量結(jié)果看，RSSI 值隨著距離的不斷增大而逐漸變小，浮動(dòng)增大，數(shù)據(jù)傳輸也越容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此在窨井蓋的日常維護(hù)工作中要盡量保證在20 米內(nèi)使用終端連接藍(lán)牙，才能保證動(dòng)態(tài)密碼的正常傳輸。

圖3 RSSI 測(cè)量結(jié)果

3.3 動(dòng)態(tài)密碼接收測(cè)試

HC-05 模塊的藍(lán)牙版本為2.0，測(cè)試中使用的Android 手機(jī)上的藍(lán)牙也是2.0 版本。在測(cè)試中，Android 手機(jī)始終與HC-05 模塊保持在20m 內(nèi)，信號(hào)傳輸處于平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)Android 手機(jī)的通信頻段為2.4GHz，也有可能會(huì)影響藍(lán)牙傳輸，因此Android 手機(jī)在測(cè)試時(shí)僅有藍(lán)牙模塊處于未開(kāi)啟狀態(tài)，其余如Wi-Fi、4G 移動(dòng)流量等都處于關(guān)閉狀態(tài)，盡最大可能地減少干擾。由圖4（a）密碼輸入錯(cuò)誤效果圖可知，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，單片機(jī)底部的紅色LED 燈會(huì)亮起，提醒用戶密碼輸入錯(cuò)誤，如果密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤達(dá)到3 次，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲；由圖4（b）密碼輸入正確的效果圖可知，此時(shí)單片機(jī)底部的綠色LED 燈會(huì)亮起，如果此前輸入過(guò)錯(cuò)誤密碼而亮起的紅色LED 燈也會(huì)因?yàn)檩斎胝_密碼后熄滅，只亮起綠色LED 燈以提醒用戶密碼輸入正確。

圖4 動(dòng)態(tài)密碼輸入測(cè)試

HC-05 與終端（測(cè)試時(shí)使用的Androidd 手機(jī)）連接，當(dāng)終端與HC-05 成功連接時(shí)，終端會(huì)顯示“已連接”。同時(shí)單片機(jī)的屏幕上也會(huì)在屏幕中央紅色CODE 下方顯示“OK”表示藍(lán)牙連接成功，可以正常使用。反之，如果終端與HC-05連接異常導(dǎo)致沒(méi)能成功連接，終端會(huì)顯示“連接斷開(kāi)”。單片機(jī)的顯示屏上也會(huì)在紅色CODE 下方顯示“error”，表示藍(lán)牙連接異常，請(qǐng)重新連接。

動(dòng)態(tài)密碼的終端輸入測(cè)試，當(dāng)單片機(jī)生成動(dòng)態(tài)密碼且通過(guò)藍(lán)牙將動(dòng)態(tài)密碼發(fā)送到終端后，可通過(guò)使用終端輸入密碼來(lái)解鎖，只要在終端的輸入框內(nèi)輸入剛剛接收到的動(dòng)態(tài)密碼，可通過(guò)藍(lán)牙將輸入的密碼再次傳輸回單片機(jī)，在單片機(jī)的顯示屏上也會(huì)在紅色CODE 下方顯示由終端輸入的密碼，單片機(jī)通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證后可通過(guò)單片機(jī)下方的LED 燈亮起的顏色得知輸入密碼是否正確。

動(dòng)態(tài)密碼的變更測(cè)試，動(dòng)態(tài)密碼不是一成不變的，動(dòng)態(tài)密碼隨設(shè)定的時(shí)間變化，每隔一段時(shí)間之前的密碼將會(huì)被廢棄，只有輸入最新密碼才能被視作輸入正確密碼，之前生成的密碼超過(guò)了設(shè)定的時(shí)間已經(jīng)作廢，只有在終端輸入當(dāng)前的密碼才能使單片機(jī)的綠色LED 燈變亮，即輸入密碼正確。同時(shí)為了測(cè)試更方便、高效，將動(dòng)態(tài)密碼的生成時(shí)間設(shè)置為較為短暫的1 min，這意味著一個(gè)密碼只有1 min 的壽命，過(guò)了1 min 新密碼生成取代舊密碼，在正式使用中可以根據(jù)不同的情況將動(dòng)態(tài)密碼的壽命設(shè)置成不同的時(shí)間。測(cè)試時(shí)每隔一分鐘單片機(jī)會(huì)生成一個(gè)新密碼并通過(guò)藍(lán)牙不斷傳輸，只要在HC-05 的工作范圍內(nèi)即20m 以內(nèi)，就可以保證終端可以在第一時(shí)間收到最新的動(dòng)態(tài)密碼。每個(gè)動(dòng)態(tài)密碼都是相隔1min接收到的，并且新生成的密碼與生成過(guò)的密碼不會(huì)相同，從而保障動(dòng)態(tài)密碼的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)密碼防盜系統(tǒng)的程序。其中包括動(dòng)態(tài)密碼主程序的設(shè)計(jì)以及蜂鳴器、顯示屏模塊、藍(lán)牙模塊的程序設(shè)計(jì)。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量保證程序的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性、時(shí)效性和易維護(hù)性，同時(shí)做好程序的模塊化編寫(xiě)，保證程序的邏輯性并做好注釋，方便后期添加新功能以及對(duì)進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)通過(guò)對(duì)HC-05 藍(lán)牙模塊的傳輸距離測(cè)試和有效距離RSSI 測(cè)試來(lái)驗(yàn)證HC-05 的工作可靠性，已達(dá)到該設(shè)計(jì)的工作要求。對(duì)動(dòng)態(tài)密碼接收測(cè)試來(lái)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，在HC-05 的有效工作距離內(nèi)，動(dòng)態(tài)密碼可以進(jìn)行密碼傳輸、比對(duì)等工作，動(dòng)態(tài)密碼系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。