智能门锁设计

刘彩迪，徐统嘉，刘立业，王瑶，任晨雨，商国旭

（赤峰学院，内蒙古赤峰， 024000）

0 引言

随着物联网技术以及工业的发展，各式各样的门锁逐渐进入人们的视野，人们出于对家庭和财产的安全考虑，对门锁的安全需求也越来越高。在日常生活中，人们每天进出家、汽车、车库和办公室甚至许多公共场所都必须和门锁见面，经常会遇到忘带钥匙或意外丢失钥匙的情况。而伴随智能行业的发展，智能门锁逐渐走进家庭用户，通过多种方式进行开锁，为日常生活提供了很多便利。

1 系统结构设计

本设计的核心处理器为STM32单片机，总体结构如图 1所示。硬件结构采用模块化设计，该部分由8个模块组成，分别是：指纹识别模块、射频感应模块、语音播放模块、蓝牙模块、显示模块、矩阵键盘、报警模块和信息存储模块。

图1 智能门锁系统的总体结构图

2 系统硬件设计

■2.1 指纹识别模块

该模块是基于AS608的指纹识别模块，AS608指纹识别模块是ALIENTEK推出的一款高性能的光学指纹识别模块。AS608模块内置 DSP运算单元，集成了指纹识别算法能高效、快速采集图像并识别指纹特征。模块配备了串口、USB 通信接口，用户只需通过简单的串口、USB 按照通信协议便可控制模块。模块接口采用 8 芯 1.25 mm 间距单排插座，模块内置手指探测电路，用户可读取状态引脚（WAK）判断有无手指按下。

■2.2 射频感应模块

该模块是基于MFRC522的射频感应模块。采用7芯1.25mm间距单排插座，使用SPI接口进行通信。

MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度地读写卡芯，系统通过与MFRC522连接的天线和IC卡线圈产生共振来传递数据，从而完成模块与卡间的通讯。MFRC522根据寄存器的设置来调制发送缓冲区数据进而得到发送信号，以TX1、TX2引脚驱动天线产生电磁波的形式发送，IC卡采用RF场的负载调制进行响应。同时天线检测到IC卡的响应信号后，经过天线匹配传送到RX引脚，MFRC522内部接收缓冲器对其信号进行检测、解调，并根据寄存器的设置进行相应处理，再将其数据发送至单片机。

图2 射频感应模块电路图

■2.3 语音播放模块

该模块采用ISD公司的ISD4004。 该语音器件采用多电平直接模拟存储专利技术，声音无需经A/D转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，从而避免一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。图3为语音播放原理电路。 语音输入通过话筒（MIC）直接与ISD4004的引脚IN+、IN-连接差分驱动输入。语音输出端则是通过LM386放大后连接到电台的语音输出端。 系统采用键控分段录放音模式。 通过录音键可录制10段不同的语音，每段录音对应键盘上一个按键，根据所接收到的语音信号，通过10个按键可播放不同的语音，使用方便、灵活。

图3 语音播报模块电路图

■2.4 蓝牙模块

该模块是基于BT08B的蓝牙模块，它是专为智能无线数据传输而打造的，遵循 V2.1+EDR蓝牙规范。本模块内置 PCB 射频天线，支持UART接口和SPP蓝牙串口协议。该模块可通过蓝牙将智能门锁与手机连接，不仅可以实现设置和管理智能门锁，还可以实现手机端遥控开锁。

■2.5 显示模块

为了使密码锁的密码显示效果更加人性化，便于操作，该模块采用SPI触摸显示屏，它的控制芯片是ILI9488。背光使用一个三极管驱动，最大支持解析度为：HVGA，分辨率为480×320，接口可以为8位或者16位并口，我们这里是使用16位并口，以发挥STM32的优势。

系统开机后，显示器一直处于初始状态，等待密码的输入。当对密码锁进行开锁操作时，按下键盘上的数字键“0”～“9”来进行密码的输入。每按下一个数字键后，会在显示器上显示一个“*”字符，这是为了保护密码，输入多少位就会显示多少个“*”。当密码输入完成以后，接着按下确认键。如果输入的密码正确，SPI显示屏显示“密码正确”；否则，会显示“密码错误”。

3 系统软件设计

■3.1 密码开锁

主程序对模块进行初始化后跳转到显示运行界面，用户通过矩阵键盘进行密码输入，此时单片机对存储的密码和输入密码进行匹配，若匹配成功，单片机电路中的控制引脚改变为低电平信号，促使继电器吸合，进而使得门锁打开；与之相反，若匹配失败，则需重新输入密码。若连续三次匹配错误，单片机的控制引脚变为高电平，进而连通报警电路，使得报警模块发出警报声。若输入的密码与管理员密码匹配成功，在开锁的同时也会进入管理员界面，可进行修改密码、添加或者删除指纹信息以及IC卡信息等操作。

图4 密码开锁流程图

图5 指纹开锁流程图

图6 刷卡开锁流程图

图7 蓝牙开锁流程图

同时，该智能门锁还增加了虚伪密码功能，虚位密码作为一种智能防偷窥技术，其操作原理是在正确的开锁密码前后输入任意多位数字，只要中间有连续正确的密码，就能解锁开门。简单来说就是一个公式：任意数字+正确密码+任意数字，这样不仅能有效防止密码被偷窥泄露，还能防止有心人通过残留的指纹痕迹猜测密码等情况发生，大大增强密码的安全性。

■3.2 指纹开锁

主程序对模块进行初始化后跳转到显示运行界面，用户输入指纹，此时单片机对存储的指纹和输入指纹进行匹配，若匹配成功，门锁打开；与之相反，若匹配失败，则需重新输入指纹。若连续三次匹配错误，报警模块发出警报声。

■3.3 刷卡开锁

主程序对模块进行初始化后跳转到显示运行界面，用户将IC卡贴近射频模块，射频模块读取卡序列号，若序列号与程序设定一致，门锁打开；与之相反，若不一致，则需重新输入指纹。若连续三次匹配错误，报警模块发出警报声。

■3.4 蓝牙开锁

主程序对模块进行初始化后跳转到显示运行界面，用户打开手机APP，手机APP提示连接蓝牙，若不连接，则终止步骤，解锁失败，并显示“连接失败”；若连接，则执行手机APP通过蓝牙模块调用主控芯片，实现开锁。

4 结论与展望

本文设计的智能门锁支持指纹、密码、刷卡以及遥控四种方式进行开锁，同时具有报警功能。我们可以通过SPI触摸显示屏显示系统操作界面，进行修改密码、添加或者删除指纹信息以及IC卡信息等操作。相比于传统的机械锁，本文设计的智能门锁更加的安全、便捷。相信智能门锁未来的发展空间极大，普及率将会越来越高。