基于STM32和云平台的智能门锁控制系统的设计

陈明忠，陈荣军

（1.汕头职业技术学院 机电工程系，广东 汕头 515078；2. 广东技术师范大学 计算机科学学院，广东 广州 510665）

锁具分为机械锁和智能门锁.机械锁使用金属钥匙开锁，存在两个弊端：一是金属钥匙需要随身携带容易丢失，二是金属钥匙容易复制、安全性差［1］.随着人们对生活质量的追求，机械锁已不能满足人们对生活简便、高效、安全的需求，智能门锁应运而生.智能门锁主要使用射频、IC卡、指纹、数字密码等方式完成开锁动作［2］，无需携带金属钥匙，广泛应用在短租房、酒店业和高档住宅中.

当现行的智能门锁应用到短租房以后，若租户初次看房，短租房房主必须亲自到达现场为租户开门，不能实现远程开锁；当现行的智能门锁应用到酒店业以后，若客人办理入住手续时，必须提供身份证给前台核查，增加了客人的等待时间.使用IC卡开锁还存在IC卡容易被非法复制等问题.本文设计了一款基于STM32和云平台的智能门锁系统，该系统允许房主或酒店服务员对智能门锁进行远程控制［3］，允许客人凭身份证在门锁端验证个人信息，节省客人在前台办理入住手续时的等待时间.

1 整体设计方案

为了实现短租房房主或酒店服务员远程控制门锁，就需要开发一个手机端程序，然后上传到云平台上.如果在门锁端与云平台之间选用Wi-Fi 连接方式，这就需要在门锁端加入Wi-Fi 模块，通过Wi-Fi模块连接房间里的路由器，然后再连接到云平台［4］.通常，客人入住酒店、旅馆时都需要将身份证呈交前台核查，增加客人的等待时间.如果客人在网上订好房间，就要在门锁端刷身份证进入房间，这就需要在门锁端加入身份证识别模块.

综合上述分析，基于STM32和云平台的智能门锁系统包括三部分，即门锁端、云平台和手机端程序［5］.门锁端以STM32微控制器为核心，外接Wi-Fi模块、身份证识别模块、数字键盘模块，主要实现身份验证和门锁的开关控制，并将门锁的开关信息上传到云平台（见图1）.云平台使用专用于智能家居环境的京东微联，主要对Wi-Fi模块传输过来的数据加上时间戳，以便显示数据发生的时间，同时将用户在手机端的注册信息传输到门锁端.手机端程序采用Html5开发，以京东微联云为服务器.用户通过手机访问云平台，首先进行身份注册和房间预订，当登录云平台后，便可实现门锁的远程控制，并能查看门锁当前的开关状态、开关时间等.系统总体框架如图1所示，STM32与数字键盘模块的通信协议是IIC［6］，与身份证识别模块的通信协议是USART，与Wi-Fi模块的通信协议是SPI；门锁端、云平台、手机端使用JoyLink协议通信.

2 门锁端硬件选型与设计

2.1 STM32微控制器

STM32是意法半导体集团（ST）推出的一种高性能、低成本的基于ARM Cortex-M架构的微控制器（MCU），本系统选用STM32F103RBT6作为微控制器.该微控制器具有如下优势：

（1）运行速度快，工作频率高达72MHz；

（2）储存容量大，内部集成128KB FLASH和20KB的SRAM；

（3）低电压、低功耗，工作电压为2.0～3.6V，可设置待机、停止和睡眠三种低功耗模式；

（4）外设接口丰富，有51个IO口：PA0～PA15、PB0～PB15、PC0～PC15、PD0～PD2；

（5）拥有9个通信接口，分别是2个IIC接口、2 个SPI 接 口、3 个USART 串 口、1 个CAN、1个USB；

（6）程序调试方便，各功能模块在PC 端开发，然后编译、生成目标文件后，通过ARM仿真器就可烧写到STM32的存储器中［7］.

2.2 身份证识别模块

身份证识别模块选用广州华大股份的MINI身份证阅读套件板，如图2所示.该套件是经公安机关批准备案的，专用于读取居民身份证芯片内所存储的压缩信息，采用非接触式IC 卡技术［8］，通过USART 口与STM32 通信，套件的RX、TX 引脚分别与STM32 的PB10、PB11连接.

读卡时，STM32采用轮询法向身份证识别模块发送读取指令，身份证识别模块将身份压缩信息反馈给STM32，STM32将身份压缩信息还原出来，包括姓名、性别、身份证号、照片等，将对身份证号进行验证，判断该身份证的有效性，从而实现开锁动作.

2.3 数字键盘模块

数字键盘模块由一块12路电容式触摸传感芯片CP2532（如图3所示），外嵌4×3电容式按键组成［9］.在12个按键中，除了数字0～9，还包括“＊”和"＃”分别代表“取消”和“确定”.

该模块利用CDC（电容数字转换）技术把按键时产生的电容变化量转换成数字信号，并通过IIC 接口传送给STM32［10］.CP2532 芯片的INTN、SCL、SDA 引脚分别与STM32 的PB5、PB6、PB7 连接，IADJ引脚通过外接电阻来调节12路按键的灵敏度.当某个按键被按下时，中断状态寄存器ISR对应位自动置1，芯片的INTN引脚将由高电平变成低电平，并通过PB5传送给STM32，STM32检测到中断信号后，就知晓哪个按键被按下，从而实现密码开锁.

2.4 Wi-Fi模块

Wi-Fi 模块选用北京联盛德的WMSP06 模块.该模块内置32 位ARM CPU、416KB 存储空间，适应于二次开发；该模块支持IEEE802.11b/g/i 无线标准，支持高速的SPI 通信，速率最高达到50Mbps，满足Wi-Fi模块与STM32的通信需求.WMSP06模块还具有自动连接无线网络、灵敏度高、功耗低等优点.WiFi模块与STM32采用SPI协议通信，WiFi模块的SPI_CS、SPI_CLK、SPI_DO、SPI_DI引脚分别与STM32的PA4、PA5、PA6、PA7连接.

3 系统软件设计

按软件的开发工具和运行环境，本系统的软件设计分为STM32程序设计、Wi-F模块设计和手机端程序设计三部分.STM32程序设计主要实现对板载资源的初始化、用户身份验证和智能门锁的开关控制，包括STM32芯片的逻辑控制的设计、身份证识别模块和数字键盘模块的设计，STM32程序的开发工具为Keil MDK，经编译后烧写到STM32芯片的Flash中.Wi-Fi模块的开发工具为Keil C51，经烧写后存入Wi-Fi模块的存储空间中.手机端程序的开发工具为Html5，开发后移殖到云平台中.

3.1 STM32程序设计

STM32 程序分为主程序模块、身份证识别模块、数字键盘模块［11］.当STM32 上电之后，首先对系统资源初始化，包括系统时钟、LED、Key、以及USART、IIC、SPI通信端口初始化，然后对NVIC（嵌套中断向量控制器）初始化，紧接着，定时器开始计时，并检测USART、IIC、SPI通信端口是否有中断请求，若在设定的时间内检测到某个通信端口有中断请求，则执行相应的子模块后，定时器才重新计时.若在设定的时间内没有检测到任何中断请求，则定时器重新计时，开始新一轮中断请求的检测.程序流程图如图4所示.

3.1.1 身份证识别模块设计

STM32向串口发送寻证指令，当收到“检测到身份证”的反馈信息之后，再向串口发送读证指令［12］.若读证成功，则从读到的身份证信息提取身份证号，再从数据库中寻找该身份证号，若找到，则开启门锁，并通过Wi-Fi模块上传门锁状态；否则，发出错误信息.程序流程图如图5所示.

图4 主程序流程图

图5 身份证识别模块流程图

3.1.2 数字键盘模块设计

首先定义一个数组用于存放数字密码.当STM32的PB5引脚有中断请求时，STM32就向IIC接口发送查询指令，读取传感芯片CP2532ISR（中断状态寄存器）置1 的位号，并将该位号转换成键值.若读取的键值为数字，则将键值存储到数组中；若读取的键值为“*”（取消键），则清空数组；若读取的键值为“#”（确定键），则将用户输入的密码与从Flash中读取的系统密码相比较，若系统密码包含在输入密码中，则开锁，否则，发出错误信息.程序流程图如图6所示.

3.2 Wi-Fi模块设计

图6 数字键盘模块流程图

Wi-Fi模块的代码存放在Wi-Fi模块的存储空间中.Wi-Fi模块上电后，首先检查内部是否有联网配置信息，如果没有，则让手机连接无线路由器，然后通过oneshot 软件配置Wi-Fi 的信息（包括ssid、password、加密方式），再通过广播方式向Wi-Fi 模块发送配置信息［13］；如有，则尝试Wi-Fi 模块与无线路由器的连接.当联网成功后，Wi-Fi模块就充当STM32和云平台之间信息传递的媒介，一方面，Wi-Fi模块接收STM32 发来的门锁开关信息并转发给云平台；另一方面，Wi-Fi模块接收云平台发来的门锁远程控制命令并转发给STM32.程序流程图如图7所示.

3.3 手机端程序设计

3.3.1 云平台简介

京东微联官网提供了开发者平台，设备厂商可以通过云平台对自己的产品进行升级优化，云平台也为每个产品分配唯一的调试序列号（UUID）［14］.只要在手机端指定UUID，就可以将手机端程序推送到云平台的相应产品中.京东微联云平台提供了JoyLink协议的SDK，只需要将SDK移植到Wi-Fi模块中，即可实现门锁端与手机端的交互，门锁端的数据包通过云平台时会自动加上时间戳.

3.3.2 手机端程序设计

手机端程序设计包括Html5界面设计和控制逻辑设计［15］.

手机界面从上到下按导航区、功能控制区、状态显示区布局.功能控制区主要实现门锁的远程控制、用户的身份注册和房间预订，状态显示区主要显示门锁的开关状态.

Html5界面设计基于京东微联APP，通过京东微联的JDSMART控件，用户可以对不同智能设备进行远程控制.控制逻辑设计由JavaScript实现，采用vue控件搭建一种交互界面的渐进式框架，实现数据的双向绑定，从而快捷地实现事件触发和数据更新.当手机端加载页面时，系统会调用JDSMART.app.getNetworkType方法获取app的网络状态；调用JDSMART.ready方法对设备信息进行初始化.通过定时函数和JDSMART.io.getSnapshot方法获取设备快照，以及时获取设备的状态，并刷新页面的状态显示区.在页面的功能控制区，通过vue控件与click事件的绑定构造power按钮，当用户点击该按钮时，就调用JDSMART.io.controlDevice方法发送控制消息到设备端，并实时刷新页面.

4 结束语

针对现行的智能门锁控制系统的缺陷，设计了一款智能门锁控制系统.整个系统分为门锁端、云平台和手机端三部分，并对门锁端进行硬件选型与设计.根据软件的开发工具和运行环境，把本系统的软件分为STM32程序、Wi-Fi模块程序和手机端程序三个模块，并对每个模块进行功能设计.通过对该款智能门锁进行50次的身份证开锁、50次的数字密码开锁和50次的手机端远程开锁，其中合法身份证和非法身份证各25次，合法密码和非法密码各25次.测试表明，使用合法身份证和合法密码都能快速正常开锁，使用非法身份证和非法密码都无法开锁，通过手机端每次都能远程开锁，系统具有较好的稳定性.