一种基于虚位密码的MQTT 智慧门锁

马雷，漆为民

（江汉大学人工智能学院，湖北武汉 430000）

现如今，机械门锁仍然占领着大半部分的市场，但它已经逐渐不能满足居民对于安全性、私密性的需求[1]。智能门锁自上世纪二十年代诞生，到如今的技术相对纯熟，经历了3 个阶段的发展。在发展初期，智能门锁主要应用于酒店等环境中，开门方式为磁卡和密码，不适合作为家庭使用推广[2]。发展中期加入了指纹、面容等生物特征比对，而由于当时技术原因，生物模块价格令人望而却步。在现阶段，各种新概念智能锁层出不穷，智能锁的发展也逐渐多功能化，技术的成熟也让智能锁的成本逐渐降低至为大众所能接受[3]。

1 功能概述

1）虚位密码解锁开门：通过智能门锁上的电容按键输入开门密码，密码为6 位数字，用户随意输入10 位连续数字，系统识别到输入数字中有连续正确的密码即可开门。

2）指纹解锁开门：通过半导体指纹模块对指纹与已注册指纹进行比对，比对成功即可打开门锁，用户可通过管理员界面注册或删除指纹。

3）门卡解锁开门：通过RFID 读写模块比对门卡序列号是否已注册，若已注册则打开门锁，通过管理员界面注册或删除门卡。

4）云端交互：通过阿里云界面查看管理员密码、开门密码、开门情况、已注册信息。并可通过阿里云虚拟按钮打开和关闭门锁。

5）人机交互：通过输入管理员密码进入管理员界面，根据语音提示，可对已注册信息进行管理以及门锁、管理员密码的更改。

2 硬件设计

2.1 硬件总体设计

该系统以STM32F401RET6 为主控芯片，指纹模块采用ZY002-INT 模块，门禁卡模块采用RC522 模块，按键采用BS8116 电容模块，广域网采用ESP32蓝牙/WIFI 模块，语音播报采用MY1680 模块，上述模块与门锁电机配合使用完成系统设计，并搭配TFTLCD屏幕完成显示。硬件总体设计图如图1所示。

图1 硬件总体设计图

2.2 硬件选型

2.2.1 主控芯片

以Cortex-M4 为内核架构的STM32F401RET6比意法公司Cortex-M3 系列芯片拥有更强的DSP 能力[4]，且其内置MPU 内存保护组件，功率效率方面也远远超过Cortex-M3 系列芯片，支持库函数开发，适用于对稳定性、安全性要求较高的智慧门锁系统。

2.2.2 BS8116电容按键

由合泰半导体公司生产的BS8116 电容按键提供了标准IIC 串行数据接口，该型号电容按键共12个按钮，具有集成度高以及准确性高的特点[5]。

2.2.3 ZY002-INT半导体指纹模块

由中山名光科技公司生产的ZY002-INT 半导体指纹识别模块以Cortex-M3 为内核，利用电容、电场、温度、压力等实现指纹图像采集，在硬件上具有耐磨、耐腐蚀、耐静电等优点[6-7]。该模块只识别活体指纹，可穿透皮肤，安全性更高。模块内置FLASH和SRAM，指纹的存储不需要占用主控内部存储空间，节约了内存。

2.2.4 RC522射频卡读写模块

RC522 射频卡模块自带NXP 公司生产的型号为MIFARE-S50的NFC卡，这类卡片内置线圈，通过固定频率的电磁波与读写器进行通信[8]，通信距离为10 cm，每个卡片预置一个独一无二的序列号，亦可在卡片16个扇区的第三块写入卡密码[9]。在开发过程中，RC522读写器可使用NXP公司提供的库函数，高效方便。

2.2.5 ESP32蓝牙/WIFI模块

拥有双核处理器的ESP32 模块拥有更多的GPIO，支持蓝牙4.2 协议，操作性更强[10]，处理性能和连接能力是常用的ESP8266WIFI 模块的两倍，适用于要求稳定性、安全性更高的环境中。

2.2.6 1.3寸TFTLCD液晶显示屏

TFT 型LCD 屏幕由薄膜晶体管构成，该类型屏幕支持标准IIC、SPI、8080 等多种接口，该模块应用ST7789VW 驱动芯片，响应速度快[11-12]。可在无外部操作时钟的情况下执行显示数据RAM 读/写操作，最大程度上降低了功耗。

2.2.7 MY1680语音模块

该设计采用千佰度电子科技公司生产的微集成MP3 模块实现语音播报功能，该模块需接入扬声器使用，支持MP3、WAV 格式双解码[13]。自带16 MB 内存，可将语音文件直接存储在其中，不占用主控内存空间，可通过文件目录对存储的音频文件进行操作，使用更方便[14]。

2.2.8 存储芯片

STM32F401RET6 内置W25Q64 芯片内存大小为512 kB，而显然不足以承担整个智慧门锁的运转，于是该设计添加了AT24C02 存储芯片[15]。两种存储芯片都是电擦除ROM，生产生活中，将按字节擦写的AT24C02 称为EEPROM，将按块擦写的W25Q64 称为FLASH。EEPROM 存储具有高可靠性，保存时间更长[16]。

3 软件设计

3.1 程序软件总体设计

为了提高系统的实时性和CPU利用率，此处引入UCOSII操作系统。程序软件设计流程图如图2所示。

图2 软件设计流程图

3.2 虚位密码设计

在用户输入密码时，很难保证周围无人偷窥，智慧门锁密码通常为6 位及以下，这样就有了密码泄露的风险，经常更换密码也并不方便。因此该设计引入了基于KMP 模式匹配算法的虚位密码设计，用户可在正确密码前后输入任意数字（内部承接转化为字符型），最大为10 位，只要整串数字中有完整且未拆分的正确密码，即可验证成功。

3.2.1 软件设计

当系统检测到有人输入任意位数密码并按下确定按键，或者输入的密码达到10 位，则使用一个字符串数组承接。通过KMP 算法进行比对，若其中包含门锁密码，则打开门锁，若包含管理员密码，则显示管理员界面。部分代码段如图3 所示。

图3 虚位密码部分代码段

3.2.2 KMP算法引入

在字符串比对过程中，可以通过使用指针的暴力匹配算法，而其时间复杂度为O(mn)，会浪费大量CPU 资源。KMP 算法在此基础上进行改进，在匹配失败后，对已匹配的字符串的子串进行搜索，找出最长前缀与后缀，并使它们重叠，用于下次匹配，以此减少匹配方式。如图4 所示，在第一次匹配至字母c时，匹配失败，第二次字串直接从c 后开始进行匹配。该算法时间复杂度为O(m+n)，真正做到了快速匹配，该设计大大提高了系统反应速度。

图4 KMP示意图

3.3 指纹软件设计

ZY002-INT 模块通过USART 串口与主控进行通信，在智慧门锁设备待机时，如检测到手指按下指纹模块，则脱离低功耗状态，对指纹特征进行比对，比对成功主控下发开锁指令即可打开门锁。该部分同时也完成了指纹的采集工作，在采集时先将指纹与数据库进行比对，若指纹不存在，则进行3 次指纹特征值采集，若存在，则结束，ZY002-INT 指纹模块最大存储指纹数量为100。指纹软件设计流程图如图5 所示。

3.4 门卡软件设计

RC522 模块通过标准SPI 通信接口与主控进行数据传输，刷卡开锁设定了防冲突机制，多张卡同时放置在RC522 读写模块时，模块会轮流对卡的信息进行读取。在用户使用门卡开锁时，RC522 模块通过对NFC 卡第三扇区卡密码进行比对，若已注册该门卡，则打开门锁。部分重要代码段如图6 所示。

图5 指纹软件设计流程图

图6 门卡软件设计代码段

3.5 云端交互功能设计

在进行云端交互设计时，为用户预留了一个WIFI 接口，在用户第一次使用该设备时，可通过一键配网微信小程序为智慧门锁连接WIFI，WIFI 连接成功自动连接阿里云，用户亦可以选择离线模式登录门锁系统。

主机与阿里云通过MQTT 通信协议进行连接与通信，通信过程中数据格式为json 格式，在阿里云界面可以查看用户设置的用户密码、管理员密码、已注册门禁卡、指纹信息以及今日开门次数、总开门次数。当家中无人，又有客人或者家政服务上门时，用户可以通过虚拟开关，远程打开门锁。阿里云界面如图7 所示。

3.6 人机交互功能设计

图7 阿里云交互界面

鉴于设备的安保性能，在主屏幕不做开门提示。在智慧门锁系统检测到门卡、指纹时，自动进行比对、开锁。密码可输入10 位及以下任意数字，等于10 位，则直接进入密码判断，执行对应开锁、切换界面功能，此处引入防冲突机制，若密码恰巧同时包含门锁密码与管理员密码，则在门锁打开后进入管理员界面。若不足10 位，可按#号确认，按下按键有嘟声，为防止密码外泄，密码返回到屏幕上为*号。主屏幕界面如图8 所示。

图8 主屏幕界面

当解析密码为管理员时进入管理员界面，在该页面，每执行一步操作MY1680 语音模块都会有对应的提示，管理员可在此处对密码进行更改，注册和删除指纹、门卡信息，调整MP3 播放器音量，同时也可对设备进行恢复出厂设置操作（需再次确认管理员密码），管理员界面如图9 所示。

图9 管理员界面

联网模式下，人机交互功能与云端交互配合使用，每次打开门锁以及注册、修改信息会上传至云端界面。

4 结束语

该文介绍了一种以STM32 为主控的智慧语音交互门锁。在开发过程中，该设计应用了较为创新的云端交互及虚位密码设计。为提高密码识别速率，该文引入了KMP 模式匹配算法。同时，该设计也存在一些不足，不同于门禁卡注册时写入了卡密码，指纹在数据库中只有生物信息，若要删除指定指纹，需重新进行生物特征扫描，如此操作有些麻烦，这也是该设计的后续改进之处。