孫翌晨*，許海雨，朱賢平

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基于CORTEX M3的智能電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫翌晨*，許海雨，朱賢平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第28研究所，江蘇南京，210007)

相較于普通機(jī)械鎖，電子鎖在安全性、實(shí)用性和可操作性上有更大的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種以CORTEX M3芯片為核心的小型智能電子鎖。設(shè)計(jì)了外接設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理模塊、藍(lán)牙通信模塊及電子鎖加密算法。實(shí)現(xiàn)了手機(jī)終端和電子鎖的傳輸數(shù)據(jù)、密碼匹配和開(kāi)關(guān)控制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該新型智能電子鎖在實(shí)際運(yùn)用中工作穩(wěn)定，各項(xiàng)性均能滿足要求。

電子鎖；藍(lán)牙；加密算法

引言

電子鎖是一種通過(guò)密碼輸入來(lái)控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合，完成開(kāi)鎖、閉鎖任務(wù)的電子鎖具。其在使用的方便性、防范非法開(kāi)啟、智能管理等方面是機(jī)械鎖具無(wú)法比擬的，在對(duì)安全要求較高的場(chǎng)所及設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)發(fā)展和人們安全防范觀念的提升，對(duì)鎖具的保密性、可靠性、安全性以及可擴(kuò)展性提出了更高的要求。當(dāng)今，雖然鍵盤(pán)輸入式和刷卡式電子鎖已得到了廣泛的應(yīng)用，但這種電子鎖存在操作繁瑣、密碼易泄露、控制方式單一等缺陷。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)CORTEX M3處理器、藍(lán)牙4.0模塊和安全令牌加密算法進(jìn)行了深入研究，提出了基于CORTEX M3的智能電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。本設(shè)計(jì)中，終端根據(jù)安全令牌加密算法生成安全令，再由發(fā)送端通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給鎖具接收端，鎖具將本機(jī)的安全令與接收端的安全令進(jìn)行匹配，判斷是否開(kāi)鎖。這種方法在安全的前提下，極大地簡(jiǎn)化了操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

基于CORTEX M3 的智能電子鎖的硬件總體框圖如圖1所示。通過(guò)按鍵輸入模塊或藍(lán)牙的射頻端口接收數(shù)據(jù)，處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，指示顯示模塊和執(zhí)行電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的指令[1]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 軟件總體設(shè)計(jì)

隨著軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，編程的方法也日新月異。健壯的軟件框架和高效的分層思想，不僅能充分發(fā)揮硬件板卡的性能，而且能為以后系統(tǒng)軟件的移植和升級(jí)帶來(lái)很大的方便。綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的功能需求，本文設(shè)計(jì)的智能電子鎖采用嵌入式技術(shù)[2]。系統(tǒng)軟件分層圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件框圖

對(duì)于整個(gè)智能電子鎖，安全穩(wěn)定的通訊機(jī)制和簡(jiǎn)便的操作流程是衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，將安全令牌加密算法[3]融入到電子鎖通訊協(xié)議中，極大的提高了電子鎖通訊密碼的安全性。除此之外，本智能電子鎖加入了基于藍(lán)牙通訊[4]的開(kāi)鎖方式，操控更加簡(jiǎn)單方便。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)板卡的工作性能很大程度上取決于系統(tǒng)電源。本設(shè)計(jì)中選用的STM32F103VET6芯片的電源模塊由USB接口或直流5V接口供電，1個(gè)500MA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，防止短路。電源接口由2.54mm排針引出，5V、3V3、2V5各兩路，GND六路。本設(shè)計(jì)中的電源模塊如圖3所示。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)

2.2 RTC時(shí)鐘設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中中，RTC（Real-Time Clock）用于安全令牌生成安全令。安全令牌根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算實(shí)時(shí)密碼，所以RTC的精度尤為重要。為了減少CPU功耗，提高計(jì)時(shí)精度，本設(shè)計(jì)中外接時(shí)鐘源。RTC時(shí)鐘電路圖如圖4所示。

圖4 RTC時(shí)鐘設(shè)計(jì)

2.3 I2C總線接口設(shè)計(jì)

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線基本系統(tǒng)的器件可以直接用兩條線相連接：一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時(shí)鐘線SCL。I2C總線的串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL都通過(guò)一個(gè)上拉電阻與正電源連接，而且在總線不忙時(shí)保持高電平。I2C總線具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的I2C總線接口如圖5所示。

圖5 I2C總線接口設(shè)計(jì)

2.4 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

為了達(dá)到操作簡(jiǎn)便，降低功耗的目的，本設(shè)計(jì)中選用cc2540藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。CC2540是一個(gè)超低消耗功率的真正系統(tǒng)單晶片，它整合了包含微控制器、主機(jī)端及應(yīng)用程式在一個(gè)元件上。 CC2540結(jié)合一個(gè)優(yōu)異的無(wú)線射頻傳送接收器及一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)型8051微控制器，它包括連接類(lèi)比及數(shù)位感應(yīng)器的周邊，內(nèi)建可程式的快閃記憶體，精確的無(wú)線射頻訊號(hào)強(qiáng)度指示，全速USB 2.0界面，內(nèi)建AES-128加密引擎。CC2540可讓強(qiáng)固的主控或從屬式節(jié)點(diǎn)以很低的成本建立起來(lái)，它具有很低的睡眠模式功率消耗及不同工作模式間短暫的轉(zhuǎn)換時(shí)間，適用于需要超低消耗功率的系統(tǒng)[5]。CC2540藍(lán)牙模塊硬件圖如圖6所示

圖6 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)支持通過(guò)基本輸入輸出設(shè)備來(lái)控制電子鎖。采用的基本輸出設(shè)備為7寸LCD液晶顯示屏，輸入方式分為4-wire的電阻觸摸屏輸入和手持終端藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)[6]。手持終端藍(lán)牙操作流程圖如圖7。設(shè)備控制流程圖如圖8。

圖7 手持終端流程圖

圖8 設(shè)備控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以CORTEX M3 芯片為核心，動(dòng)態(tài)密碼和藍(lán)牙通信為主要研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型智能電子鎖。該電子鎖采用藍(lán)牙協(xié)議在設(shè)備與手持終端建傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)和唯一密鑰生成動(dòng)態(tài)密碼，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手持終端快速、安全地控制鎖具。

[1] Joseph Yiu，, 宋巖(譯). ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2009, 20-35.

[2] 陳靖南. 基于Cortex-M3的通用嵌入式開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京工業(yè)大學(xué), 2014.

[3] 顧韻華, 劉素英. 動(dòng)態(tài)口令身份認(rèn)證機(jī)制及其安全性研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, (33): 51-53.

[4] 范晨燦. 基于藍(lán)牙4.0傳輸?shù)腁ndroid手機(jī)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[D]. 浙江大學(xué), 2013.

[5] CC2540:超節(jié)能藍(lán)牙芯片方案[J]. 世界電子元器件, 2013, (03): 19-20.

[6] 劉少軍, 王瑜瑜. 手機(jī)藍(lán)牙技術(shù)在智能電子鎖控制系統(tǒng)中的研究[J]. 機(jī)械與電子, 2016, 34(04): 66-68.

Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3

SUN Yichen*, XU Haiyu, ZHU Xianping

(28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Jiangsu NanJing, 210007, China)

In view of the safety and practicability of the door and safety box，this paper designs a small intelligent electronic lock based on CORTEX M3.The device driver, data processing module, Bluetooth communication module and encryption algorithm are designed and implemented. Data transmission, password matching and switch control between mobile terminal and electronic lock are implemented. After testing, the new intelligent electronic lock is stable in practical application, and all the properties can meet the requirements.

Electronic lock; Bluetooth; Encryption algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.034

TP368.2

A

1672-9129(2018)01-0086-03

孫翌晨, 許海雨, 朱賢平. 基于CORTEX M3的智能電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2018, 7(1): 86-88.

SUN Yichen, XU Haiyu, ZHU Xianping. Design and Implementation of Intelligent Electronic Lock Based on CORTEX M3[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 86-88.

2017-10-11；

2017-12-23。

孫翌晨（1989-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)指揮信息系統(tǒng)。E-mail: 2945715417@qq.com