一种新型智能安全锁系统的设计

王安义，杨长江

(西安科技大学 信息与通信工程学院，陕西 西安 7100554)

一种新型智能安全锁系统的设计

王安义，杨长江

(西安科技大学 信息与通信工程学院，陕西 西安7100554)

针对通信行业机柜设备保护和管理，设计一款新型的集开锁、报警、监控和区域化管理为一体的综合系统。在通过分析智能锁技术的硬件和软件的基础上，提出了一种新型智能安全锁系统设计方案。探讨了智能锁系统工作的基本原理，并详细分析了新型智能锁系统的各个功能及如何实现。该智能安全锁系统将为后续通信、电力行业机柜设备的保护和管理提供有力的帮助。

Web前端；App终端；报警；监控；管理；智能锁系统

0 引言

随着科技的进步和人们生活水平的提高，人们的安防意识在不断提高[1]，通信行业飞速发展，各个运营商对机柜设备的安全意识也在逐步提升，传统的机械锁在保护设备安全上已经显得很吃力，急迫需求一款能够智能保护和管理机柜设备安全的智能锁系统。市场上存在各种各样的智能防盗锁，随着微电子技术的应用，出现了磁控锁、声控锁、红外线锁、电磁波锁、电子卡片锁等一系列的智能锁，它们广泛应用于宾馆、停车场、楼宇住宅等公共场所[2]。这些智能锁都是独立型的智能锁，主要存在以下几个问题：(1)功能单一，单独工作只能被动地防盗，安全因素不高；(2)不能实时上传数据以及实时报警，也不能实时监控所有锁具情况；(3)不能互联统一管理，缺少同时兼顾远程和近端无线开锁功能。基于以上问题，提出一种能够集远程和近端同时开锁的解决方案，根据该方案设计一款具有统一化管理的新型智能安全锁系统；该系统对锁实现统一编码，通过客户端实现远程和近端(应急)开锁，具有发现异常立刻报警并及时推送报警消息的功能。该系统将锁互联互通，使其形成一个统一的整体，为今后机柜设备安全提供有力的保障。

1 系统总体方案设计

新型智能安全锁是基于物联网思想，要将所有锁互联并管理，必须通过网络连接搭桥，考虑到经济与实际问题，选用SIM900A实现硬件和软件间的网络通信；为了方便工作人员随时随地开锁，突破传统的短距离通信，研发一款手机终端应用(App)，这样无论用户在何处，只要有移动网络就可实现零距离操作；对锁的控制选用MSP430单片机，它具有低功耗、丰富的片上资源等优势，完全可以满足对硬件设备的控制。基于以上设计思路，可得出智能锁安全系统由客户端(网页和智能终端)、硬件层和服务器层构成。新型智能安全锁系统的总体架构如图1所示。

图1 智能锁系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1硬件系统构成

智能锁硬件系统是由MSP430F149单片机及红外模块、ESP8266WiFi模块和SIM900A移动通信模块构成的一种基于GSM网络的智能锁硬件系统。硬件层整体结构框图如图2所示。

图2 系统硬件层结构框图

2.2硬件系统的实现

MSP430F149单片机作为硬件层的核心控制器，是一种新型的混合信号处理器，具有更方便高效的开发调试环境，还有灵活的时钟源、中断源[3]，两通道串行通信接口及丰富的硬件资源可满足对外围设备的控制。SIM900A作为一个桥梁，它连接着远程网络和嵌入式系统，两者之间可以进行数据通信[4]，单片机通过串口向SIM900A发送AT指令[5]，同时通过串口接收来自SIM900A的指令，并进行解析，从而驱动电子锁和报警装置；与服务器之间通过GSM网络将数据发送至后台服务器，服务器对相应的指令进行解析，并转换成相应的消息，更新用户端；当监测到锁端有异常时，通过信号线立刻将信号反馈给主核心控制器，核心控制器将反馈的信号通过串口发送至SIM900A[5]，最终消息通过GSM网络反馈给服务器端，此时Web前端和手机终端也会收到来自服务器的报警消息，并及时通知相关工作人员进行阻止。

3 模块间通信接口设计

3.1用户层与服务器间通信接口设计

图3 用户层与服务器间通信流图

在系统中，用户层和服务器层的通信交互是最为频繁的，因此其设计必须有多个接口，或者采用线程池的方法，满足多个用户同时交互。本设计中采用多个接口开启后台Service服务线程并发的方式，实现服务器完成数据交互，其通信基本流图如图3所示。

用户层和服务器之间采用超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol,HTTP)进行通信，用户端使用Android平台，该平台封装了HTTP协议，在设计接口时，里面应包含反馈字符串、图片等数据，接口设计如图4所示。

图4 用户层与服务器间接口设计图

3.2应用层通信接口设计

主控制器与SIM900A之间通过串口进行数据的发送和接收，为了保证数据的统一性，将数据进行封装，主控制器与SIM900A之间的通信有自己的通信协议；为了确保通信的正确性，应用层将与服务器之间互相确认才可以进行通信，应用层通信的基本流图如5所示。

图5 应用层间通信流图

通过发送和接收函数来实现数据的发送和接收，将获取的数据进行格式验证，符合协议标准，将数据存放在临时指针数组中，方便核心控制器寻找，并实现相应的驱动，接口实现函数结构图如图6所示。

图6 应用层接口设计图

3.3服务器层与应用层通信接口设计

服务器层和应用层之间通过无线通信的方式实现远程通信，SIM900A作为远程通信的桥梁，实现数据的发送和接收。服务器层与应用层之间也是通过HTTP协议通信，服务器和应用层之间通信的基本流图如图7所示。

图7 服务器和应用层之间通信的基本流图

要实现数据的发送和接收，接口中应包括接收函数和发送函数，为了保证数据的可靠性，必须有数据格式检验函数，驱动无线收发模块的接口函数设计如图8所示。

图8 服务器和应用层之间的通信接口图

4 系统软件设计

智能安全锁系统的软件包括单片机控制软件、Web前端网页设计、手机终端App。它们之间通过GSM网络实现交互，克服以往无法远距离通信的缺点，使硬件和软件形成一个相互的整体。

4.1用户注册和登录

通过注册，验证身份合法性，若合法则可登录用户端。进入主页面，秉着分权分域的原则，每个设备管理员只能看到自己管辖的基站数目和位置等信息。登录注册的流程图如图9所示。

图9 登录注册的流程图

4.2用户开锁

为了开锁简单方便，通过点击列表上的按钮即可进行开锁，该过程是通过移动网实现的，数据包格式如图10所示。

图10 数据包格式图

用户端将消息打包发送至后台服务器，服务器将接收到的信息进行解析，查询数据库将对应的锁打开，并反馈用户终端开锁成功，开锁流程图如图11所示。

图11 开锁流程图

4.3消息推送

用Notification代替以往的短信提示，节省了费用，缩短了消息推送的时间。消息推送机制是通过Notification和Service完成的。Service是Android系统开发中一个重要的组成部分，它是一个没有界面的组件，主要功能是为Activity程序提供一些必要的支持，一旦启动Service，它将一直在系统的后台运行，除非在程序中关闭该功能[6]。将Notification绑定在Service上，在Service内创建线程并设定访问服务器时间间隔，让其持续访问服务器，达到即时接收即时发送的目的。为了方便查询，将开锁和异常报警消息实时存入Android系统自带的SQLite数据库中。消息推送流程图如图12所示。

图12 消息推送流程图

4.4Web前端

以往的智能锁都是以单个形式出现的，并没有互联互通，管理起来比较困难。本系统中，Web网页管理系统摆脱以往智能锁之间无联系和无管理的困扰，它将整个区域的锁全部管理并关联起来，实现分权分域，区域化管理。分权分域使得对锁的管理更有序，系统不会产生数据混乱，也降低了服务器数据的承受压力，这样既节省人力、物力，又节省了时间，工作人员管理起来更方便，极大地提高了管理效率和设备的安全性。Web前端是集开锁和管理的综合性网页界面，运用超级文本标记语言(HyperText Markup Language,HTML)和层叠样式表(Cascading Style Sheets,CSS)设计界面，应用Tomcat服务器进行管理并搭载MySQL数据库进行数据处理和管理，运用Java服务器页面(Java Server Pages,JSP)编程技术实现网页和服务器以及数据库间的交互。

4.5单片机软件

单片机的软件系统是驱动硬件的关键，整个过程就是对AT指令的解析并将解析后的消息进行实现的过程。充分利用MSP430的各个资源，提高代码的运行效率，减少对通信的延迟；单片机软件系统采用轮询检测服务器是否发送开门信息的机制，让消息和指令能够及时被检测到，从而达到即时的效果。当没有检测到开门信息，而红外模块检测到开门信息时，则发送报警信息给服务器，然后重置报警信息，软件再回到轮询检测服务器状态。流程如图13所示。

图13 单片机软件工作流程图

5 测试和应用

测试该系统分为两个方向进行测试，首先是硬件系统的本身耐高温性，炎热的夏天该系统能否在温度超高的机柜内正常工作是非常关键的；其次是实现硬件系统的各个功能。模拟高温场景，用吹风机高温风不间断地向硬件系统吹风，通过黑盒子测试，对硬件系统的各个功能测试如表1所示；对系统的软件各个功能进行测试，结果是系统正常运行，各个功能完全符合预期。对该系统的整个功能测试完后，发现单个系统能够完全正常工作，为了达到实际应用，今后将在锁的并发性方面做努力，使完全达到应用场景。

表1 硬件功能测试

6 结论

本文基于GSM网络设计与开发了一种新型的智能安全锁系统，利用MSP430单片机作为锁端核心控制器，通过SIM900A将消息发送至公网，实现硬件和软件的通信；通过PC端进行锁的区域管理和数据库基本操作，手机终端App进行远程和近端(应急)开锁、消息推送，并实时将开锁的记录和报警的消息保存在SQLite数据库中，方便查询。本文从功能需求和设计理念出发，详细地介绍了智能锁系统的基本工作原理，并给出了系统框图和软件流程图，讲述了系统各个功能特点。本系统对移动、电信、联通三家运营商通用，经过试验，该系统稳定，能够正常工作，是一款适合基站区域管理和家庭安防局域智能化的重要系统。从此，在传统的智能锁上有了质的飞跃和改进，为以后智能锁的发展创造有力的保证。

[1] 郭晨,孙晓冬,房大伟，等.基于GSM网络的智能电子锁芯无线报警系统[J].南京师范大学学报(工程技术版),2014,14(1):22-28.

[2] 杨世恩.智能电子门禁系统研究与设计[J].通信技术，2011，44(5):68-70.

[3] 刘亚利,敬岚,乔卫民，等.基于MSP430F149型单片机的智能温度控制系统[J].计算机工程与设计,2006,27(6):1062-1064.

[4] 王磊,王军.基于SIM900A的嵌入式远程家电控制器设计[J].苏州科技学院学报(工程技术版),2014,27(1):76-80.

[5] SIM Technology. SIM900 AT Command Manual V1.03[Z]. 2010.

[6] 李刚.疯狂Android 讲义[M].北京：电子工业出版社，2015.

2017-04-26)

王安义(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向：TD-SCDMA以及TD-LTE系统开发与应用。

杨长江(1991-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：电子与通信工程。E-mail:charliyang@foxmail.com。

Design of a new type of intelligent system for security lock

Wang Anyi, Yang Changjiang

(College of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

Aiming at cabinet equipment protection and management in communication industry, a new type of integrated system has been designed in a set of lock, alarm,monitoring,and regional management.Through analysing the hardware and software of intelligent lock technology,a new solution of intelligent safety lock system for a cabinet equipment is proposed.The basic principles of intelligent lock system in working are investigated,and the each function of the new intelligent lock system and how to implement them are analysed in detail.The intelligent safety lock system can provide powerful help for subsequent communication, cabinet equipment protection and management in electric power industry.

Web front-end;the terminal App;alarming;monitoring;management;intelligent lock system

TN97+2;TN915.41

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.022

王安义，杨长江.一种新型智能安全锁系统的设计J.微型机与应用，2017,36(22)：83-86,98.