基于Arduino的智能电子锁的设计与实现

肖瑞虎，吴铮杰，肖 逸，阮 军

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

伴随着大型集成电路技术的日新月异，传统机械锁的便捷性和安全性面临着巨大的挑战，于是电子密码锁代替传统机械锁应运而生。电子密码锁克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，且机械式锁孔更容易被撬锁，同时也增加了用户携带钥匙的负担。如今，电子密码锁不论在技术上还是在性能上，都大大提高一步。微处理器在电子密码锁中的应用越来越广泛，电子密码锁向智能化发展，带微处理器的智能电子锁在国内外市场上不断出现，它除了具有电子密码锁的功能外，还具有智能化管理、报警、分析系统等功能，从而使电子密码锁具有很高的安全性、可靠性和极大的推广价值。从国外市场来看，由于人们安防意识比较强，研发生产技术比较先进，管理机制和服务体系都比较完善，智能电子锁的使用是比较广泛的。在美国、日本等经济发达国家，电子锁已成为具有规模效益的重要产业。

从国内市场来看，智能电子锁行业规模日益壮大，近几年，各种新兴品牌更是如雨后春笋般出现，不过这同时也导致国内电子锁质量参差不齐，价格也从四五百到八九千不等，但功能上区分却并不大。常见的解锁方式有指纹解锁、卡片解锁、密码解锁、钥匙解锁，而APP解锁是电子锁产品的一道分界线，它又大致分为蓝牙APP解锁和4G网络远程解锁2种。通常，价格在2 000元以下的、所谓的“APP远程解锁”，实为蓝牙解锁，不具备异地解锁功能；而2 000元以上的电子锁产品则为4G网络解锁，具备异地解锁功能。从电子锁行业整体水平来看，我国还是远不达国际水平。作为智能电子锁，四五百的价格显然太低，质量堪忧，这也是一些企业盲目跟风，没有核心竞争力，技术和外观都日趋同质化的结果；八九千的价格无疑太高，普通家庭难以承担。同时，现在很多智能锁和门厂的设计相互都没有贴合，这就导致智能锁到门厂去需要经过比较复杂的安装调试，进一步提高了安装和销售维护的成本。市面上的智能电子锁功能虽然众多，但产品稳定性较差，功能众多意味着被攻克的可能性更大，损坏后不宜修理，返厂时间长。因此，研究一种价格低廉、可靠性高、体积较小、安装简单、开锁方便的智能电子锁显得尤为必要。

1 详细方案设计

目前，市场上的智能锁主要以传统执手型为主，开门需要手动拧门把手，而不是直接开门，当用户手持东西时开门很不方便，给用户带来了较多的时间损失，因此我们设计的智能锁采取推拉型，解锁后锁舌自动缩入，推门即入，省去了因双手提物品之类的情况而难以空出双手开门的麻烦。

市场上电子锁外观“出其”统一、质量好坏难辨、安装条件麻烦，而且部分电子锁还存在漏电现象，其用户甚至需要每天更换一组电池，带来了不必要的经济损失，且严重污染环境。针对这一情况，我们采用了电控锁和控制模块相结合的办法，将整个锁体置于门内，对门的厚度无要求，且避免了外来人士对电子锁有意或无意的破坏。供电上采取插头供电和外置铅蓄电池供电相结合的方式，在停电后会自动切换成电源箱供电，且能维持正常工作7～12 h，能有效避免因停电而开不了门的情况。

电子锁主要包括3个部分，即解锁工具端、信号通信端和处理响应端。手机、蓝牙手环发出解锁信号，编码信号通过WiFi模块、蓝牙模块、NFC模块传给Arduino单片机进行处理，然后单片机给锁发出开锁信号使锁打开，实现基本功能。为了保证成本，锁体采用电控门禁锁。核心处理器件采用Arduino单片机，其优势在于代码开源，且功能强大，兼容性好，通过外接液晶显示屏可实现可视化触控操作。而解锁工具端采用手机APP与蓝牙手环相结合的方式。

1.1 总体框图设计

电子锁原理框图如图1所示，APP可通过与云服务器和锁端的WiFi模块远程开锁，也可以与蓝牙手环一样通过近距离蓝牙配对来实现开锁，同时，手环上可集成NFC芯片，实现超近距离非接触开锁。各种开锁方式均操作简单、方便快捷。

1.2 机械锁功能设计

机械锁由Arduino mega2560R3、传感器、显示器等几部分构成。显示器采用可触摸屏幕设计，让人们“随点随用”。屏幕主界面显示有时间、蓝牙、WiFi等信息，在这个界面，锁端的无线连接信息一目了然。在屏幕无操作一段时间后，即会自动息屏，当有操作或锁端接收信号时，会自动亮屏显示信息。通过点击设置图标，弹出密码验证界面，验证成功即可进入设置功能界面，点击屏幕即可配置锁端功能信息，比如打开/关闭蓝牙和WiFi、绑定设备、修改密码、添加/删除门卡等。其中，门卡可以是任何带有NFC芯片的卡片或设备，比如具有NFC功能的手机。

1.3 蓝牙手环功能设计

蓝牙手环由Arduino mega328p、蓝牙模块、锂电池和2个物理开关组成，需要用手环解锁时，只需事先将手环蓝牙调至待匹配状态，然后手环便会自动与锁端蓝牙相连。手环功能流程如图2所示。

图1 电子锁原理框图

2 程序设计

APP和锁、手环之间的通信是通过蓝牙和4G网络实现的。在整个电子锁系统中，APP远程解锁和手环蓝牙解锁是控制的主要方式和特点所在。

进入APP后，先找到对应的锁，并输入密码，与锁端实现一一对应。在输入密码的过程中，可点击“记住密码”，避免第二次输入密码所带来的不便。根据输入密码的正确与否，决定是否进入控制界面，以实现对锁端开关的控制。在弹出的二级界面中，可以显示出锁的开关状态及获取相应锁端设备的mac地址；在此界面中，可以直接对锁进行远程开关操作，也可以在该界面点击“蓝牙开关”按钮，进入蓝牙配置子界面，使用蓝牙实现对锁端的控制（为备用解锁途径）。蓝牙配置子界面可实现手机蓝牙开关，搜索设备配对连接、开门，配置手环及手环匹配新锁等功能。这样，一个基本的移动端APP软件控制就已实现其功能。APP功能流程如图3所示。

3 实验验证和结果分析

在发送端与接收端互发信息的过程中，信息会受到各种因素的影响。为了判断实验结果的准确性和可靠性，进行了实验验证。在多次实地开锁实验过程中，电子锁均表现良好，以下是具体结果和分析。

手机APP可存储多个锁端设备，开锁时只需选择相应的设备绑定即可，远程开锁十分快捷，可异地开锁；在实现蓝牙配对以后，点击开锁/关锁，亦可实现锁的开/关。

图2 手环功能流程图

图3APP功能流程图

蓝牙手环可通过和锁端蓝牙配对来解锁，解锁时间为7～15 s，有效范围为10 m以内。锁端蓝牙可同时连接7个设备，不会因为某个设备占用而导致其他家庭成员无法用蓝牙开门，实现了“多环开一锁”。若需更改手环能打开的锁，只需将手环与手机蓝牙配对，然后在APP上进行相应操作即可，实现了“一环开多锁”。

表1 电子锁参数表

锁端可自行添加NFC门禁卡，比如手机的NFC、公交卡等，在锁端的显示屏上进行“添加门卡”操作后即可使用，免去多携带更多的卡，同时也可作为一次性开门钥匙，给客人们使用。电子锁成品的各项参数如表1所示。

4 结束语

本次设计的智能电子锁系统改变了以往的机械锁概念，用人们耳熟能详的手机与手环代替传统钥匙来实现开锁，符合自动化的趋势。在功能上可以实现用一个手机APP管理多个手环和锁，实现手环和锁的多对多匹配；亦可任意添加/删除门卡，作一次性钥匙使用。在使用上，既方便、快捷又灵巧、安全。与市面上其他电子锁相比，我们设计的电子锁既有可以与之匹敌的功能，又可兼顾安全性，避免了一些电子锁由于设计及缺陷而存在的一些漏电现象。用户可在手机APP端自由查看门锁的状态，同时与传统的智能电子锁相比，成本大幅度降低，给消费者一个在选购锁方面更加优质的选择。

参考文献：

［1］韩改宁，韩丽娜，张清文.基于Arduino开发平台的学生宿舍门禁系统设计［J］.应用天地，2016（4）：64-68.

［2］曾熊飞.一种机械电子锁［J］.机电工程技术，2015，44（2）：65-67.

［3］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（4）：66-68.

［4］路永华.可远程控制的智能电子锁的设计与实现［J］.陇东学院学报，2015，27（1）：24-27.

［5］张永强.高可靠性电子锁设计［J］.电子测试，2012（9）：91-95.