劉 迪

(蚌埠學院數(shù)理學院,安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

目前現(xiàn)實生活中用的最多的是普通機械鎖,但是經(jīng)常會發(fā)生忘記或丟失鑰匙的事情,更有甚者被別有用心的不法分子拷貝,這給住戶帶來很大的麻煩和安全隱患。一些小偷使用各種技術(shù)手段打開住戶的門鎖,竊取用戶的財產(chǎn),威脅用戶的人身安全,這種類型的報道層出不窮。而且普通的門鎖并沒有防盜、報警的功能。所以,許多住戶很關(guān)注自家門鎖的安全性能。隨著科技的發(fā)展,智能鎖是目前的主流趨勢。該智能鎖運用藍牙技術(shù)進行無線通信,這樣就不存在布線復雜的問題,而且用手機就可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙開鎖,并且具有實時監(jiān)控和報警的功能。

1 智能鎖的總體方案設(shè)計

在智能鎖上安有傳感器模塊,可以隨時檢測室內(nèi)的溫度、煙霧的濃度和有沒有人闖入等情況。傳感器模塊將采集到的信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后傳送給單片機[1],單片機經(jīng)過處理后判斷是否報警和發(fā)送短信給用戶。智能鎖由兩個核心部分組成,其中一部分相當于開門的鑰匙,由手機來控制藍牙模塊A,而藍牙模塊A 作為通信主端;另外一部分由藍牙模塊B 作為通信從端,用來傳遞用戶的操作信息至門鎖,電子鎖的動作由門鎖內(nèi)部的單片機輸出電平的改變來控制。該密碼鎖不僅可以通過手機APP進行開關(guān)鎖,而且還可以通過鍵盤輸入密碼進行開關(guān)鎖。防止當手機沒電時,也可以不影響用戶的生活。

對于智能鎖,雖然它具有獨立電源供電,但為了防止別人惡意斷電來闖入室內(nèi),該密碼鎖還具有斷電記憶密碼功能。正常情況下,用戶想知道家中情況,可以通過手機APP點擊獲取狀態(tài),智能鎖就會把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到APP上顯示出來。智能鎖的總體框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 智能鎖系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

該智能鎖裝置的硬件電路采用模塊化設(shè)計,主要硬件設(shè)計由主控電路、傳感器模塊、控制模塊組成,總的原理圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 總的原理圖設(shè)計

GSM 模塊采用SIM900A 芯片[2]來完成短信的實時報警功能,其可以由單片機通過UART 端口向GSM 模塊發(fā)送AT 命令來實現(xiàn)。比如當有人連續(xù)開鎖失敗三次或者家中燃氣的濃度達到預設(shè)值時,單片機通過串口向SIM900A 模塊發(fā)送AT 命令,控制其實現(xiàn)短信報警。

設(shè)計中采用的藍牙模塊具有4個端口,直接與單片機U1相連接。給模塊上電后,不配對的情況下,進入AT 模式。在該模式下可以通過發(fā)送指令來測試通訊、改藍牙串口通訊波特率、更改藍牙名稱和更改藍牙配對密碼等操作。該藍牙與用戶端的藍牙配對過程與平時進行的藍牙配對方式一樣,便于操作[3]。且一次連接之后,下次自動連接。

智能鎖裝置中采用DS18B20傳感器來檢測溫度,其測溫范圍為-55℃～125℃。當室內(nèi)發(fā)生火災時,室內(nèi)溫度會升高,當溫度達到之前預設(shè)值時,智能鎖會立刻報警并通過GSM 模塊發(fā)送短信給用戶手機,提醒用戶家里有危險,使得用戶能夠及時采取措施,保障財產(chǎn)安全。

紅外傳感器模塊采用HC-SR501 來檢測人體是否進入感應范圍內(nèi)。當輸出端輸出高電平時,說明人體進入其感應范圍內(nèi);當自動延時關(guān)閉高電平輸出低電平時,說明人體已經(jīng)離開感應范圍[4]。用戶休息后,開啟該模塊功能,當有其他人進入室內(nèi),智能鎖會立刻報警并通過GSM 模塊發(fā)送短信給用戶手機,提醒用戶家里有危險,使得用戶能夠及時采取措施,保障財產(chǎn)安全。

煙霧傳感器模塊采用MQ-2煙霧傳感器來檢查室內(nèi)有沒有燃氣泄漏或者火災煙霧,讓用戶時刻了解家里情況。若室內(nèi)有氣體泄漏,達到預設(shè)值時,智能鎖會立刻報警并通過GSM 模塊發(fā)送短信給用戶手機,提醒用戶家里有危險,使得用戶能夠及時采取措施,保障財產(chǎn)安全。煙霧傳感器的模擬輸出通過AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱CU2中進行數(shù)據(jù)處理。

3 軟件設(shè)計

3.1 門鎖控制裝置軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的要求和設(shè)計方案,系統(tǒng)軟件設(shè)計這一部分主要介紹了微控制器和各模塊的初始化、LCD液晶顯示屏顯示方式、按鍵的使用方式、串口的使用以及GSM 發(fā)送短信文本的設(shè)計。設(shè)計通過按鍵設(shè)置密碼、確認密碼、輸入密碼、液晶進行顯示的方式打開電子鎖,并提供短信提醒的功能。如圖3所示。

圖3 電子鎖密碼設(shè)置及開鎖流程圖

軟件設(shè)計采用手機APP 藍牙客戶端發(fā)送開、關(guān)鎖信號,通過藍牙串口模塊傳輸數(shù)據(jù)的方式,實現(xiàn)對密碼鎖的控制。藍牙模塊和手機配對的配對碼可以通過相應的代碼來修改。藍牙串口模塊使用單片機的TX,RX 與藍牙模塊通信,單片機通過TX 發(fā)送數(shù)據(jù)給藍牙模塊,然后藍牙模塊再通過藍牙協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送出去,藍牙模塊與Android的通信方式使用spp協(xié)議。在設(shè)計當中,采用的是異步通信的方式,具有較高的可靠性。

傳感器模塊從傳感器感測到數(shù)據(jù)傳送給單片機控制單元判斷是不是超標,從而通過GSM 模塊反饋給用戶并報警。

GSM 短信模塊主要用來實現(xiàn)對主人(用戶)家里放置的煙霧報警器、紅外傳感器、溫度傳感器及密碼鎖的安全所采用的一種用戶反饋模塊,幫助主人知曉家中的情況。

通過C51單片機開發(fā)版控制模塊通過單片機串口與GPRS模塊通信發(fā)送一條TEXT 短信,實現(xiàn)短信提醒功能。要實現(xiàn)發(fā)送一條TEXT 短信,主要用到以下函數(shù):

(1)Second_AT_Command():該函數(shù)是用來發(fā)送AT 指令的函數(shù)。

(2)set_Text_Mode():該函數(shù)實現(xiàn)將短信設(shè)置為TEXT 文本模式。

(3)Send_Text_Sms():該函數(shù)實現(xiàn)發(fā)送TEXT 文本短信。

圖4 密碼鎖部分展示圖

3.2 Android客戶端軟件設(shè)計

通過移動終端手機APP 點擊開門按鈕開鎖,點擊關(guān)門按鈕關(guān)鎖;并且可以實時接收幾個傳感器傳來的傳感器狀態(tài)。界面設(shè)計輪廓分明,能實現(xiàn)所需的基本功能。其中Android開發(fā)環(huán)境下用Java語言編寫。

利用eclipse進行手機APP開發(fā),主要涉及到藍牙搜索、藍牙配對、收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)計過程。在eclipse界面里,activity_main.xml圖層實現(xiàn)APP窗口的布局,并且用Graphical Layout用來實現(xiàn)圖層的后臺代碼,同時構(gòu)建與Main Activity.java的連接。 然后創(chuàng)建一個Android Virtual Devices(AVD)來模擬代碼實現(xiàn)的功能。

4 系統(tǒng)測試

(一)單點通信距離測試

實驗環(huán)境分為室內(nèi)和室外兩種情況。學校的一幢教學大樓過道里作為室內(nèi)環(huán)境,其隔著一堵實體墻。選擇學校外周圍車輛建筑物較少的一條筆直公路上作為室外環(huán)境。通過實驗結(jié)果可以看出,在教學大樓過道里9m 范圍之內(nèi)的通訊距離是可以保證的,室外筆直公路上的通訊距離可以保證在12m 范圍之內(nèi)。這種距離對于用戶在家附近用APP開啟大門是完全可以的。

表1 通信距離測試統(tǒng)計表

室外 12 20 20室外 15 20 0

(二)智能鎖功能測試

該智能鎖不僅可以實現(xiàn)密碼鎖功能,并可以實現(xiàn)手機APP來開關(guān)門,實現(xiàn)密碼多次輸入錯誤后及時短信提醒,實時提取房間各種數(shù)據(jù)信息,并發(fā)送到房主的手機,實現(xiàn)了智能監(jiān)控、智能開鎖、實時提醒等功能。

短信報警部分功能展示如圖5 所示,手機APP接收顯示信息展示如圖6所示。

圖5 手機報警功能演示圖

圖6 手機APP演示圖

經(jīng)過上述的的實驗和所獲取的數(shù)據(jù)可以看出,該裝置已經(jīng)能夠完美的完成所預期的現(xiàn)象,并且很成功,具有很好的市場前景。

5 結(jié) 語

該智能鎖不僅可以實現(xiàn)手動開鎖還可以通過手機APP開鎖,并且在手機上能夠隨時查看家中的情況。最后在整體功能均實現(xiàn)的情況下,對此系統(tǒng)進行全面的測試,確保系統(tǒng)方案的可行性。具體的測試包括單點通信距離測試,通過測試來判斷在不同環(huán)境下多長范圍之內(nèi)是可以完全實現(xiàn)功能的。