李天祥，田青松，許謝飛，夏志勇，馬志明，高宏峰

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

目前，酒店房門的開鎖和取電都是刷卡插卡式的[1]，這種方式過于簡(jiǎn)單，在一定程度上影響入住，有時(shí)候會(huì)不可避免的出現(xiàn)出門忘記帶卡的狀況，這時(shí)旅客就需要到前臺(tái)求助，由服務(wù)人員為旅客打開房門，這樣無疑是同時(shí)浪費(fèi)了旅客和服務(wù)前臺(tái)的時(shí)間[2]。為了解決這一現(xiàn)狀，本論文對(duì)當(dāng)前酒店的門禁系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在刷卡的基礎(chǔ)上增加了二維碼開鎖的功能。旅客在入住時(shí)，服務(wù)前臺(tái)會(huì)將旅客信息寫入數(shù)據(jù)庫，成功激活旅客在該酒店的入住權(quán)限，旅客可以直接刷卡或者使用特制APP進(jìn)行掃碼開鎖和控制取電等功能。當(dāng)旅客在房屋休息時(shí)，可以使用APP控制電燈的通斷。在外出忘記取下房卡時(shí)，可以避免和前臺(tái)打交道的麻煩，直接用手機(jī)掃碼開門。當(dāng)旅客退房離開酒店后，前臺(tái)將相應(yīng)的信息從數(shù)據(jù)庫刪除，旅客將沒有權(quán)限繼續(xù)使用APP。在滿足當(dāng)前的需求之后，在該系統(tǒng)上留下了預(yù)留接口，為以后的智能一體化的升級(jí)留下可能。

本文介紹一種低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用性強(qiáng)的二維碼智能開門取電控制系統(tǒng)。利用STM32處理數(shù)據(jù)速度快、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)、I/O及中斷控制并和其他協(xié)議傳輸技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)酒店客房管理和旅客對(duì)房間有機(jī)控制，方便酒店方面管理和增強(qiáng)旅客入住體驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)功能與方案

以STM32為主控板控制的智能開門取電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是多選擇性的解鎖開門及智能取電。旅客入住酒店首先會(huì)在前臺(tái)登記個(gè)人信息，登記完畢后根據(jù)前臺(tái)服務(wù)員提供的掃碼專用APP使旅客獲取APP的使用權(quán)限，實(shí)現(xiàn)掃碼進(jìn)門。一般情況下開門方式默認(rèn)為刷卡開門，旅客同時(shí)也可以選擇通過掃二維碼進(jìn)行開鎖。在進(jìn)行開鎖時(shí)，旅客選擇二維碼開鎖方式(按下二維碼開鎖選擇功能鍵)后，單片機(jī)會(huì)生成一個(gè)包含隨機(jī)數(shù)信息的二維碼，由LCD屏顯示，客人通過專用APP掃碼后會(huì)自動(dòng)生成密碼，客人向系統(tǒng)通過按鍵輸入密碼，確認(rèn)后由系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，如果密碼是錯(cuò)誤的就會(huì)提醒重新輸入，一旦超過3次數(shù)后就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警，若密碼一經(jīng)確認(rèn)相同后就會(huì)開啟房門同時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器開鎖取電。

當(dāng)微控制器STM32F103ZET6發(fā)生倍頻后，最高頻率可達(dá)72 MHz，通過倍頻技術(shù)可以在處理速度和功耗間任意選擇。內(nèi)嵌512 kB的FLASH存儲(chǔ)器、64 kB的SRAM，豐富的外設(shè)也深得工程師們的喜愛，定時(shí)器、外部中斷、ADC、DMA、FSMC及各種通信協(xié)議，如USART、SPI、IIC、CAN等等[3]。本系統(tǒng)利用STM32的串口、外部中斷、FSMC、SPI協(xié)議等系統(tǒng)資源。為了系統(tǒng)的安全性和可靠性，通過基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)庫技術(shù)，上位機(jī)和下位機(jī)采取統(tǒng)一的密碼算法取代傳輸層技術(shù)，避免數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)遭到惡意攻擊，極大的保障系統(tǒng)的安全性，隱藏系統(tǒng)所有內(nèi)容使外界不可見。系統(tǒng)總體分為兩部分，控制系統(tǒng)和APP。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)總體的控制，主要包括STM32F103ZET6,矩陣鍵盤，REID-RC522，TFT顯示屏，紅外傳感器，繼電器，蜂鳴器和電磁鎖等，圖1為控制系統(tǒng)框圖，其中RFID-RC522模塊是通過SPI通信方式與主控進(jìn)行通信的，顯示屏由STM32內(nèi)部FSMC驅(qū)動(dòng)，矩陣鍵盤由外部中斷控制，紅外傳感器通過ADC驅(qū)動(dòng)，蜂鳴器和繼電器由GPIO高低電平來驅(qū)動(dòng)控制。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

圖2為APP系統(tǒng)框圖，主要包括權(quán)限識(shí)別，掃碼功能，解密功能，密碼顯示等功能。

圖2 APP系統(tǒng)框圖

登錄過程需要使用到旅客房間號(hào)作為賬號(hào)，密碼由前臺(tái)指定，這樣能排除任何人對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行操作的可能，APP在登錄成功后才能調(diào)用攝像頭進(jìn)行掃碼和解密的工作，最終獲取密碼并入住。

2 硬件接口電路

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，使用了TFT顯示屏、射頻卡、矩陣鍵盤、繼電器、紅外傳感器、蜂鳴器等。其中顯示屏由STM32內(nèi)部FSMC(靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器)驅(qū)動(dòng)，射頻卡的通信協(xié)議使用的是SPI，矩陣鍵盤用的是外部中斷，紅外傳感器通過AD器件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成我們作為度量的數(shù)字信號(hào)，繼電器和蜂鳴器由普通I/O控制。

2.1 TFT顯示屏

為配合控制系統(tǒng)做人機(jī)交互界面，顯示二維碼提供給旅客，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)3.5寸液晶顯示模組，該液晶模組是 320*480 的真彩屏，驅(qū)動(dòng)芯片為 ILI9488。該屏使用 16位總線模式，采用 6 個(gè)白色 LED 作為背光源。液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)見圖3，圖中U10驅(qū)動(dòng)芯片為 ILI9488，背光采用一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)六個(gè)白色LED光源(LCDK1-LCDK6)，LCD_BL引腳接單片機(jī)普通IO引腳，通過控制三極管的導(dǎo)通控制LCD的背光亮滅。液晶顯示模塊可以選擇8位或者16位數(shù)據(jù)并口，默認(rèn)采用 16位接口，這樣才可以充分發(fā)揮STM32的優(yōu)勢(shì)。

圖3 TFT液晶顯示屏設(shè)計(jì)圖

2.2 按鍵電路

矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)在于選擇掃碼功能和鍵入密碼作為一個(gè)人機(jī)交互的輸入系統(tǒng)。矩陣鍵盤列線接普通IO引腳作為輸出引腳，將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸入端，接外部中斷線。這樣，當(dāng)產(chǎn)生了外部中斷信號(hào)我們就能判斷是在哪一行發(fā)生了按鍵，再通過檢測(cè)列線的輸出引腳的電平和初始狀態(tài)相比是否發(fā)生跳變來最終確定矩陣鍵盤被按下的按鍵。

2.3 報(bào)警電路

在設(shè)計(jì)過程中為了防止惡意操作，對(duì)系統(tǒng)中添加了報(bào)警裝置，其本質(zhì)就是通過GPIO口控制三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，由于GPIO口輸出電流有限，而蜂鳴器在蜂鳴時(shí)需要較大的電流，GPIO輸出口無法滿足要求。而S8550最大可提供1A的輸出電流，足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。所以，用GPIO口來控制S8550的導(dǎo)通和截至，從而來控制蜂鳴器。在系統(tǒng)中它作為實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)和其他提示音的功能，當(dāng)系統(tǒng)判斷輸入錯(cuò)誤密碼達(dá)到三次后就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警，蜂鳴器長(zhǎng)鳴，直到解除警報(bào)。

2.4 電磁鎖

電磁鎖是系統(tǒng)最終控制的一部分，它的核心組成是一個(gè)電磁鐵，通電使電磁鐵產(chǎn)生磁性，鎖舌縮回，開鎖成功。由于需要達(dá)到足夠的驅(qū)動(dòng)電流，系統(tǒng)采用外接12 V直流電源，電流的通斷由繼電器控制，繼電器由單片機(jī)IO的高低電平控制來完成整個(gè)控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 二維碼生成過程

二維碼又稱QR CODE，是近幾年來移動(dòng)設(shè)備上比較流行的一種編碼方式。二維碼共有40個(gè)尺寸，根據(jù)系統(tǒng)需要的信息量選擇尺寸大小為21*21的version1版本，一個(gè)可用的二維碼圖像包含定位圖案、功能性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)碼和糾錯(cuò)碼。

在系統(tǒng)中，二維碼中包含的信息是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)由隨機(jī)數(shù)種子生成，通過數(shù)字轉(zhuǎn)字符串方式將隨機(jī)數(shù)變成一個(gè)字符串，如數(shù)字1234轉(zhuǎn)換成字符串”1234”。生成二維碼圖案的實(shí)現(xiàn)中將數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)成字符指針類型，方便傳入任意長(zhǎng)度的字符串，通過計(jì)算二維碼的長(zhǎng)度寬度按點(diǎn)從左到右依次顯示在LCD屏上。具體軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。圖中檢查數(shù)據(jù)的合法性是檢測(cè)數(shù)據(jù)是否為指定的數(shù)據(jù)類型。

圖4 二維碼生成流程圖

3.2 解密算法

解密方案中，使用了隨機(jī)數(shù)生成算法。密碼學(xué)中安全的偽隨機(jī)數(shù)需要滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)偽隨機(jī)性和密碼安全偽隨機(jī)性。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生后將它截取成兩個(gè)等長(zhǎng)的隨機(jī)數(shù)，如”12345678”截取成為”1234”和”5678”，這樣通過兩個(gè)新的隨機(jī)數(shù)同時(shí)進(jìn)行解密才能獲取正確的密碼。如果rand1和rand2代表截取的兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，用psd表示密碼，解密后的密碼表示為：

psd=(～rand1)∧(～rand2).

式中，～表示按位取反 ，∧表示異或.

上位機(jī)中采用了一致的算法，掃描二維碼后獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過上述解密算法獲取密碼。向控制系統(tǒng)輸入密碼后，跟psd進(jìn)行比對(duì)，如果一致則開鎖并給房間進(jìn)行供電，如果連續(xù)超過三次密碼錯(cuò)誤則蜂鳴器報(bào)警，軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 解密流程圖

3.3 取電設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中使用了紅外傳感器，其作用就是檢測(cè)是否有人進(jìn)入房間，因?yàn)橹挥挟?dāng)房間有人時(shí)才有取電的必要，系統(tǒng)通過兩排紅外傳感器來檢測(cè)旅客的進(jìn)出，由于一般房門的寬度只允許一個(gè)人進(jìn)出，而兩排紅外傳感器的作用就是根據(jù)傳感器檢測(cè)到的順序來判斷人員的進(jìn)出，考慮到這點(diǎn)后在程序中通過對(duì)進(jìn)出人員進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)進(jìn)入房間時(shí)計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)人員出來計(jì)數(shù)器就減1，只要計(jì)數(shù)器大于0則表示房間依然有人，這樣就能保證電源在有人的情況下一直連通，而電源的獲取是通過繼電器的通斷控制，其實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 取電設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語

本文介紹了新型酒店開門取電系統(tǒng)，本系統(tǒng)屬于電子門禁系統(tǒng)，但是與傳統(tǒng)的刷卡開門相比有很大的創(chuàng)新性，它將現(xiàn)在二維碼與門禁結(jié)合起來，構(gòu)成多選擇性的開門系統(tǒng)，它讓入住酒店變得更便捷，將不再與服務(wù)前臺(tái)打交道，省事更安全。

[1] 查振元，朱華炳.電子門禁系統(tǒng)組成[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003，13-14.

[2] 閆宏毅.酒店管理實(shí)務(wù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：187-220.

[3] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：18-24.

[4] itwriter.二維碼的生成細(xì)節(jié)和原理[EB/OL]. www.news.cnblogs.com/n/191671/2013-10-29.