基于CORTEX M3的智能电子锁的设计与实现

孙翌晨*，许海雨，朱贤平



基于CORTEX M3的智能电子锁的设计与实现

孙翌晨*，许海雨，朱贤平

(中国电子科技集团第28研究所，江苏南京，210007)

相较于普通机械锁，电子锁在安全性、实用性和可操作性上有更大的优势，本文设计了一种以CORTEX M3芯片为核心的小型智能电子锁。设计了外接设备驱动、数据处理模块、蓝牙通信模块及电子锁加密算法。实现了手机终端和电子锁的传输数据、密码匹配和开关控制。经过测试，该新型智能电子锁在实际运用中工作稳定，各项性均能满足要求。

电子锁；蓝牙；加密算法

引言

电子锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子锁具。其在使用的方便性、防范非法开启、智能管理等方面是机械锁具无法比拟的，在对安全要求较高的场所及设施中得到广泛应用。随着电子技术发展和人们安全防范观念的提升，对锁具的保密性、可靠性、安全性以及可扩展性提出了更高的要求。当今，虽然键盘输入式和刷卡式电子锁已得到了广泛的应用，但这种电子锁存在操作繁琐、密码易泄露、控制方式单一等缺陷。

针对以上问题，本文对CORTEX M3处理器、蓝牙4.0模块和安全令牌加密算法进行了深入研究，提出了基于CORTEX M3的智能电子锁的设计与实现方案。本设计中，终端根据安全令牌加密算法生成安全令，再由发送端通过蓝牙模块发送给锁具接收端，锁具将本机的安全令与接收端的安全令进行匹配，判断是否开锁。这种方法在安全的前提下，极大地简化了操作。

1 系统总体设计

1.1 硬件总体设计

基于CORTEX M3 的智能电子锁的硬件总体框图如图1所示。通过按键输入模块或蓝牙的射频端口接收数据，处理器对接收到的数据进行处理分析，指示显示模块和执行电机执行相应的指令[1]。

图1 系统硬件框图

1.2 软件总体设计

随着软件开发技术的飞速发展，编程的方法也日新月异。健壮的软件框架和高效的分层思想，不仅能充分发挥硬件板卡的性能，而且能为以后系统软件的移植和升级带来很大的方便。综合考虑整个系统的功能需求，本文设计的智能电子锁采用嵌入式技术[2]。系统软件分层图如图2所示：

图2 系统软件框图

对于整个智能电子锁，安全稳定的通讯机制和简便的操作流程是衡量系统性能的重要参数。在本设计中，将安全令牌加密算法[3]融入到电子锁通讯协议中，极大的提高了电子锁通讯密码的安全性。除此之外，本智能电子锁加入了基于蓝牙通讯[4]的开锁方式，操控更加简单方便。

2 硬件设计

2.1 电源模块设计

嵌入式系统板卡的工作性能很大程度上取决于系统电源。本设计中选用的STM32F103VET6芯片的电源模块由USB接口或直流5V接口供电，1个500MA自恢复保险丝，防止短路。电源接口由2.54mm排针引出，5V、3V3、2V5各两路，GND六路。本设计中的电源模块如图3所示。

图3 电源模块设计

2.2 RTC时钟设计

本设计中中，RTC（Real-Time Clock）用于安全令牌生成安全令。安全令牌根据当前时间计算实时密码，所以RTC的精度尤为重要。为了减少CPU功耗，提高计时精度，本设计中外接时钟源。RTC时钟电路图如图4所示。

图4 RTC时钟设计

2.3 I2C总线接口设计

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线基本系统的器件可以直接用两条线相连接：一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。I2C总线的串行数据线SDA和串行时钟线SCL都通过一个上拉电阻与正电源连接，而且在总线不忙时保持高电平。I2C总线具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。本设计的I2C总线接口如图5所示。

图5 I2C总线接口设计

2.4 蓝牙模块设计

为了达到操作简便，降低功耗的目的，本设计中选用cc2540蓝牙模块进行无线数据传输。CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程式在一个元件上。 CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎。CC2540可让强固的主控或从属式节点以很低的成本建立起来，它具有很低的睡眠模式功率消耗及不同工作模式间短暂的转换时间，适用于需要超低消耗功率的系统[5]。CC2540蓝牙模块硬件图如图6所示

图6 蓝牙模块设计

3 软件设计

本设计支持通过基本输入输出设备来控制电子锁。采用的基本输出设备为7寸LCD液晶显示屏，输入方式分为4-wire的电阻触摸屏输入和手持终端蓝牙传输数据[6]。手持终端蓝牙操作流程图如图7。设备控制流程图如图8。

图7 手持终端流程图

图8 设备控制流程图

4 结束语

本文以CORTEX M3 芯片为核心，动态密码和蓝牙通信为主要研究内容，设计并实现了一种小型智能电子锁。该电子锁采用蓝牙协议在设备与手持终端建传输数据，通过对时数据和唯一密钥生成动态密码，实现通过手持终端快速、安全地控制锁具。

[1] Joseph Yiu，, 宋岩(译). ARM Cortex-M3权威指南[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009, 20-35.

[2] 陈靖南. 基于Cortex-M3的通用嵌入式开发板设计与实现[D]. 北京工业大学, 2014.

[3] 顾韵华, 刘素英. 动态口令身份认证机制及其安全性研究[J]. 微计算机信息, 2007, (33): 51-53.

[4] 范晨灿. 基于蓝牙4.0传输的Android手机心电监护系统[D]. 浙江大学, 2013.

[5] CC2540:超节能蓝牙芯片方案[J]. 世界电子元器件, 2013, (03): 19-20.

[6] 刘少军, 王瑜瑜. 手机蓝牙技术在智能电子锁控制系统中的研究[J]. 机械与电子, 2016, 34(04): 66-68.

Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3

SUN Yichen*, XU Haiyu, ZHU Xianping

(28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Jiangsu NanJing, 210007, China)

In view of the safety and practicability of the door and safety box，this paper designs a small intelligent electronic lock based on CORTEX M3.The device driver, data processing module, Bluetooth communication module and encryption algorithm are designed and implemented. Data transmission, password matching and switch control between mobile terminal and electronic lock are implemented. After testing, the new intelligent electronic lock is stable in practical application, and all the properties can meet the requirements.

Electronic lock; Bluetooth; Encryption algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.034

TP368.2

A

1672-9129(2018)01-0086-03

孙翌晨, 许海雨, 朱贤平. 基于CORTEX M3的智能电子锁的设计与实现[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 86-88.

SUN Yichen, XU Haiyu, ZHU Xianping. Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 86-88.

2017-10-11；

2017-12-23。

孙翌晨（1989-），男，助理工程师，主要研究方向为计算机指挥信息系统。E-mail: 2945715417@qq.com