基于嵌入式行李箱的智能锁设计

张长虹 吴伟伟 李肖锋 朱素娜

摘要：目前市场上绝大多数的行李箱锁为简易式机械锁，安全系数极低。为了确保出行旅客的行李箱安全，本设计基于嵌入式可伸缩智能行李箱的原有结构，设计了一款具有指纹防盗技术的行李箱智能锁。本款智能锁以51单片机为基础，并且通过指纹录入、识别等功能对检测到的指纹进行比对分析，同时加入NFC模块，可以使用手机进行快速解锁，从而达到智能、安全的目的。

关键词：指纹解锁;51单片机;NFC

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）27-0078-03

Abstract： At present， the vast majority of trunk locks on the market are simple mechanical locks with very low safety factor. In order to ensure the safety of passengers' luggage， this design is based on the original structure of embedded retractable intelligent trunk， and designs a trunk intelligent lock with fingerprint anti-theft technology. This intelligent lock is based on 51 single-chip microcomputer， and through fingerprint input， identification and other functions to compare and analyze the detected fingerprints. At the same time， NFC module is added， which can use mobile phone to quickly unlock， so as to achieve the purpose of intelligence and security.

Key words： fingerprintunlocking;51MCU;NFC

近年来，伴随着互联网信息技术的蓬勃发展，国内智能锁在技术、生产工艺方面得到了极大的提升。随着交流的日益密切，智能锁的市场需求愈发广阔，而外出也渐渐成为人们工作和生活的重要组成部分，因此行李箱安全性的提升极大的契合了市场的需求。智能锁由于其便捷性、实用性和安全性在行李箱领域得到了广泛的应用，本设计基于以上目的，致力于研制出兼具以上优势的智能锁。

1智能锁发展历程

中国的智能锁发展历程大致可以分为四个时期：第一时期：1989-1999，刷卡式电子锁成星级酒店标配。虽然那时候的酒店锁市场非常大，但是大多数企业没有自己的核心技术，仍处于模仿、借鉴欧美和日韩相关产品的階段。第二时期：2000-2010，指纹锁开始走入历史舞台。进入20世纪后，我国电子锁行业得到快速发展。有不少企业也开始从酒店电子锁逐渐向家用指纹锁转移。虽然在外观和某些技术上还是以借鉴韩国为主，但是指纹识别技术的运用，为电子锁的家用进程奠定了基础。这一时期的智能锁产品除了传统的机械钥匙、NFC技术及密码之外，指纹识别已成为家用锁的标配，但这一时期的指纹模块主要以光学为主。第三时期：2011-2016，多种生物识别并存，联网已成趋势。随着智能锁触网的深入及安装基数达到临界点后形成网络效益，“智能锁+App”，或者“智能锁+微信”已成为智能锁第三阶段的标志之一，实现了一机在手，随时随地查看家中的状态。而且，远程控制的形式还会一直延续下去。第四时期：2017-至今，人工智能锁已经渐渐出现在公众视野当中。伴随着越来越多的企业的加入，行业内部的竞争已经愈发激烈。越来越多的智能锁企业，为了摆脱现有的桎梏，正在积极谋求新的突破口。在人工智能大火的背景之下，更多的人把目光转向了人工智能本身，智能锁的第四个时期也由此开启。

中国的智能电子锁具一开始并没有任何技术，也没有任何经验的支持，所以只能模仿外国发达国家的产品，由此可见，中国的智能电子锁具的创业历程是多么艰难。如今，经过20多年的发展，中国已经完成了从普通电子锁具到指纹锁具，最后创造出人工智能锁的发展历程，成功屹立于智能锁具强国的行列。

2功能模块的设计与实现

2.1 指纹识别模块的设计原理

此项目中运用了指纹识别模块，其模块型号为 AS608 。在进行指纹识别时，通过模块中的传感器，对检测到的指纹图像进行分析和比对，检测到的指纹紧接着和系统中提前录入的指纹进行验证和处理。本设计中运用到的指纹识别模块——ATK-AS608和同等类型模块相比具有非常良好的特点，如：此模块由于采用高精度算法，指纹的验证和处理时间能够保持在0.3s之内、拒识率（FRR）保持在1%之内，误识率（FAR）保持在0.001%之内，并且具有能够录入并储存300枚指纹的优点。此模块工作的基本原理是以单片机和Uart串口为主要基础进行数据通信，并对MCU发送指纹的验证和分析结果，与此同时，模块中的主控芯片会在收到分析结果的基础上，向电机模块发送指令，由此达到智能锁具快速开启的目的。

2.2软件系统实现

本文研究的智能锁采用的是以51单片机为核心的处理器，它内部的程序是由C语言来进行编写，在 KeiluVision2 平台上调试，而且通过 Proteus 7 Professional 平台上所建立的硬件模拟环境来进行调整和验证，从而让软件模块和硬件模块互相协调工作的电路，一起完成本设计中的智能功能。软件模块具有录入指纹，且进行比对分析或增减指纹等设计。在本项目中，图像的识别模块使用的算法是 GABOR ，其目的是处理因录入的指纹不清晰等原因手造成系统识别质量不足的问题。进行指纹分析的系统使用的内部软件搭建结构为 DSP 加 51 的组合，大大提升了核心处理器的工作效率，强化了系统中软件的并列运行的程度。本设计中，指纹信息的录入、比对与分析、指纹的增减是由 DSP 芯片重点负责的。使用的大致过程是用户提前将自己的指纹录到模块当中，而后期可由用户自己进行指纹的增减。

指纹处理大致流程如图 1 所示

2.3 NFC模块

为了使本设计具更加完善的功，并且提高用户使用时便捷性，我们为了防止出现录入指纹时录入图像不清晰，阻碍用户的使用的情景，因此，添加了NFC模块。NFC也就是我们常说的近场通信（Near Field Communication），它是一种小范围内的高频无线通信技术，当使用NFC技术的设备（如手机），彼此靠近时可以互相进行数据交换。当手机开启NFC功能并靠近行李箱智能锁时，智能锁将自动核对信息，若跟系统设定的信息相一致时，智能锁将自动打开，大大便捷了行李箱的使用。

NFC工作流程图如下。

3智能锁的核心技术与安全性分析

3.1 技术分析

在本设计中，系统内部各个模块之间的连接方式是无线连接，所以本设计中的关键技术是数据的采集与传输。由此引发的，需要我们特别关注的问题是模块中的网关模块是比较容易遭受攻击的，从而引起我们对安全性的担忧。因此，针对此问题我们在本设计中加入了访问控制模块，它的大致作用是监测用户的活动内容并进行记录分析，同时对其操作进行回应，并且给予用户对应的权限，防止非经允许的使用者获得相应权限。同时，若长时间无新的指令产生，智能锁将自行休眠进入低功耗模式。倘若系统检测到用户使用密码或指纹解锁，系统会对其身份进行比对分析，在核查无误后才会进行开锁指令的下达。在本产品设计中，系统的关键部分为指纹模块，它在系统中最主要的功能是高效的对指纹进行比对分析与核查，从而以极快的速度来检测访问者的合法性，最后决定是否下达开锁指令。在本设计中，指纹模块为核心部件，且其为电容式，因为此类模块是DSP处理器高性能运转以及和传感器相互协同工作的关键，并且指纹模块内部具有完善的算法与指纹协议。它的功能大致有，指纹的识别与比对、指纹的录入与存储、指纹特征的提取、录入的指纹图像的处理等，极大的增强了指纹识别的准确性与安全性。

智能锁的开锁与解锁是由系统对电机驱动下达指令完成的，智能锁模块的输入/输出端在进行初始化后，便进入待机模式，当其接收到指令并对指令进行验证分析后，完成开锁解锁。

3.2智能锁的安全性分析

结合现有技术，我们考虑到发送与接收数据的安全性有待提高，因此，我们所有的数据全部进行加密处理，并且规定用户使用智能解锁的机会不超过5次。倘若系统识别到5次以上解锁错误，智能锁将立刻关闭智能解锁系统，在此情况下，用户只能进行物理解锁，从而达到保证用户行李箱安全的效果。

数据加密流程如图所示。

4 总结

综上所述，随着互联网与物联网对我们生活日益深刻的影响，以NFC智能解锁和指纹解锁为基础的智能锁，愈来愈发的被市场所接受。具有高安全性，便捷且实用的装配有智能锁的行李箱越来越受大众所喜爱，所以大力探究和发展智能锁也大有市场。通过对现阶段智能锁的关键技术与安全性的分析不难看出，虽然智能锁相较于传统锁具在技术层面已经有了较大的进步，但结合实际，无线电传输并不具有绝对的安全性，数据接收与发送时如何保密仍然要我们继续研究，这不仅仅是一个智能锁的研究课题，也是智能锁技术走向成熟的重要研究课题。

参考文献：

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[6]Wikipedia.Industry4.0[EB/OL].2019-03-25.https：//en.Wikipedia.org/wiki/Industry_4.0.

【通联编辑：光文玲】