(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院， 福建廈門361000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在智能家居[2]方面的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。隨著智慧校園概念的提出，人們開始關(guān)注智慧校園的建設(shè)，其中教學(xué)樓的管理是智慧校園建設(shè)中的重要組成部分。

目前，大多數(shù)教學(xué)樓中教室的管理仍然是采用人工開、關(guān)機(jī)械門鎖的方式，管理人員往往要攜帶大串鑰匙手動打開或者關(guān)閉教室門鎖。由于教學(xué)樓中的教室眾多，樓層較高，因此管理人員工作強(qiáng)度大且繁雜，而且鑰匙管理也多有不便，容易出現(xiàn)遺失等意外情況。為了解決上述問題，本文中創(chuàng)新性地設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)樓智能門鎖管理系統(tǒng)，建立基于結(jié)構(gòu)化查詢語言數(shù)據(jù)庫MySQL的教學(xué)樓門鎖數(shù)據(jù)庫，服務(wù)端采用視圖邏輯分離架構(gòu)(SpringMVC)模式進(jìn)行開發(fā)，客戶端為基于Android平臺的手機(jī)應(yīng)用，智能門鎖終端與服務(wù)端采用套接字(Socket)通信方式，由發(fā)送心跳包來保持穩(wěn)定連接。通過客戶端，管理員可以遠(yuǎn)程管理教學(xué)樓門鎖。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)端(C/S)架構(gòu)?？蛻舳瞬捎没贏ndroid平臺的智能手機(jī)作為控制端，門鎖硬件作為響應(yīng)終端、遠(yuǎn)程服務(wù)端[3]來進(jìn)行指令的傳輸及信息的反饋。服務(wù)端是基于Java EE平臺[4]所編寫的Web服務(wù)端，其功能是接收、解析、發(fā)送指令并且回傳信息給用戶， 智能門鎖終端根據(jù)指令執(zhí)行響應(yīng)， 真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)樓門鎖的遠(yuǎn)程管理， 其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 由圖中可以看出， 遠(yuǎn)程服務(wù)端連接著智能手機(jī)客戶端與門鎖終端， 客戶端通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)端平臺， 向服務(wù)端發(fā)送請求， 并獲取服務(wù)端反饋的信息。 智能門鎖接收遠(yuǎn)程服務(wù)端指令， 由單片機(jī)解析并執(zhí)行對應(yīng)的程序， 當(dāng)指令執(zhí)行完成后， 反饋信息給服務(wù)端， 繼而客戶端得到反饋通知。

圖1 教學(xué)樓智能門鎖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 智能門鎖硬件設(shè)計

智能門鎖硬件采用“進(jìn)階精簡指令器處理器(ARM) -通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS) -步進(jìn)電機(jī)”架構(gòu)，以STM32F103C8T6單片機(jī)[5]作為控制器，以SIM900A模塊作為GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過步進(jìn)電機(jī)來控制鎖舌的移動，實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)動作。具體智能門鎖硬件組成如表1所示。

表1 智能門鎖硬件組成

2.1 處理器模塊

智能門鎖的控制核心采用STM 32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM系列的32位處理器。該處理器性能優(yōu)秀，工作主頻高達(dá)72 MHz，具有20 kB的靜態(tài)隨機(jī)存儲器、 64 kB的程序存儲器和4個定時器，完全滿足性能上的要求，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 通過Keil軟件及下載器組合， 提供了在線編譯、 調(diào)試、 下載、 仿真等多項功能。

2.2 GPRS模塊

智能門鎖的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用SIM 900A[6]模塊，該GPRS模塊的尺寸為24 mm×24 mm×3 mm(長度×寬度×厚度)， 是一款雙頻功能模塊，支持全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、 GPRS雙頻模式，工作頻段分別為900、 1 800 MHz，待機(jī)功耗低，待機(jī)模式下電流低于18 mA，睡眠模式下電流僅為2 mA，可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)的傳輸。模塊內(nèi)嵌有傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)，支持用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)和TCP通信，工作電壓為3.3～5 V，瞬間電流最高為2 A，可以直連單片機(jī)，支持AT指令集，通過AT指令設(shè)置SIM 900A工作模式與遠(yuǎn)程服務(wù)端的連接及通信。由于門鎖終端必須與服務(wù)端保持連接，因此模塊采用TCP通信方式進(jìn)行穩(wěn)定、 可靠的連接。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊采用L298N作為驅(qū)動芯片，模塊驅(qū)動電壓為5～35 V，由于所需工作電壓較大，因此需要通過電源升壓模塊XL6019調(diào)節(jié)輸出電壓。驅(qū)動模塊的工作模式為雙H橋驅(qū)動，可以驅(qū)動1臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)工作，通過OUT1—OUT4 4個引腳輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開鎖或關(guān)鎖的動作，驅(qū)動模塊的原理如圖2所示。

步進(jìn)電機(jī)選取3D打印機(jī)中使用的42型步進(jìn)電機(jī)，該型步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，工作模式為兩相四拍模式，電機(jī)繞組正轉(zhuǎn)的通電順序依次為A、 B、 C、 D，數(shù)學(xué)模型如表2所示。

2.4 智能門鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

雖然智能門鎖實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能；但是電子設(shè)備無法避免出現(xiàn)故障，且有斷電的可能性，因此智能門鎖也必須保留原始機(jī)械鎖的結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)意外情況時，可通過備用鑰匙進(jìn)行手動開鎖。圖3所示為智能門鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 包括： 活動鎖舌， 外接把手可以自由開啟；步進(jìn)電機(jī)與反鎖鎖舌控制單元，鎖舌與滑動導(dǎo)軌相連，導(dǎo)軌與齒輪相嚙合，作為實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵部分；電源模塊，給硬件模塊提供電源，電源部分采用充電鋰電池組與外部電源進(jìn)行供電，在未斷電的情況下由外部電源進(jìn)行供電，在斷電情況下可由電池組進(jìn)行供電，保證正常工作；預(yù)留鎖芯孔，保證門鎖在緊急情況下可以使用備用鑰匙進(jìn)行手動開鎖。圖4為整體結(jié)構(gòu)裝配圖。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

表2 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型

圖3 智能門鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 Android手機(jī)客戶端軟件設(shè)計

Android手機(jī)客戶端軟件是基于Android平臺[6]使用Java語言編寫的[7]， 開發(fā)環(huán)境采用谷歌官方推出的Android Studio 集成開發(fā)環(huán)境編寫程序，Android Studio提供了軟件的編寫、調(diào)試、代碼重構(gòu)、模擬器仿真等強(qiáng)大的功能，尤其是模擬器的仿真與真機(jī)的效果幾乎一樣。軟件的總體設(shè)計風(fēng)格采用谷歌官方推薦的卡片式材料設(shè)計(Material Design)語言，界面設(shè)計友好，簡單易懂。客戶端軟件的主要功能如表3所示。

圖4 智能門鎖的整體結(jié)構(gòu)裝配圖

表3 客戶端主要功能模塊

3.1 客戶端數(shù)據(jù)加密

作為一款智能門鎖控制應(yīng)用， 安全性無疑是非常重要的， 關(guān)系到整個教室的財物是否得到安全保障， 因此對于密碼的保存、 數(shù)據(jù)傳輸以及登陸驗(yàn)證都必須經(jīng)過加密處理。 為了確保管理員密碼以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕?該應(yīng)用采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)算法[8]進(jìn)行加密。 該算法是一種對稱性加密算法， 要求加密密鑰與解密密鑰必須相同。設(shè)AES的加密函數(shù)為E， 則C=E(K,P)， 其中K為密鑰，P為明文，C為輸出的密文。 同樣地， 解密過程就是加密過程的逆運(yùn)算， 數(shù)學(xué)模型如下： 設(shè)AES解密函數(shù)為D，P=D(K,C)，由接收方對傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密， 通過相同的密鑰將密文還原為真實(shí)的明文， AES加密流程如圖5所示。

AES—高級加密標(biāo)準(zhǔn)。圖5 高級加密標(biāo)準(zhǔn)加密流程

3.2 主功能控制界面

軟件的主功能界面布局采用抽屜布局(DrawerLayout)組件。該組件除主視圖外還自帶一個側(cè)滑的菜單視圖(效果圖如圖6、 7所示)，點(diǎn)擊右上角圖片或者從左側(cè)拖動就可以打開該側(cè)滑視圖。主視圖為控制區(qū)，通過選擇所屬的區(qū)域，選擇教學(xué)樓以及樓層，顯示出對應(yīng)樓層的所有教室。該視圖是一個碎片(Fragment)視圖，選擇不同的區(qū)域、教學(xué)樓、樓層會動態(tài)地更換為對應(yīng)的Fragment視圖，人機(jī)交互友好。在Fragment視圖中，滑動SwichCompat開關(guān)(SwichCompat為Android平臺中的一個組件，起一個開關(guān)的作用)，通過設(shè)置SwichCompact開關(guān)監(jiān)聽事件，實(shí)現(xiàn)對對應(yīng)教室門鎖進(jìn)行開鎖或關(guān)鎖動作。

側(cè)滑菜單視圖是DrawerLayout組件的一大特色，該菜單視圖設(shè)計為個人中心界面，界面如圖7所示，其中包含了修改登錄密碼、查詢開鎖記錄、最新通知、設(shè)置4個子菜單項，點(diǎn)擊不同的子菜單項進(jìn)入相應(yīng)的視圖中。

圖6 控制功能區(qū)圖7 側(cè)滑菜單視圖

3.3 歷史記錄查詢

為了方便教學(xué)樓的管理，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，管理員可以對歷史操作記錄進(jìn)行查詢，客戶端設(shè)置了門鎖歷史記錄查詢功能。該歷史記錄保存于智能手機(jī)中自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)SwichCompat產(chǎn)生動作后，服務(wù)端返回的數(shù)據(jù)包中動作標(biāo)志值為1時，標(biāo)志開關(guān)動作成功，自動生成歷史記錄，保存于數(shù)據(jù)庫中。由于Android原生數(shù)據(jù)庫操作接口(API)較為麻煩，需要編寫復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化查詢(SQL)語句，這對于普通的開發(fā)人員固然不太友好，并且原生API性能較低，因此本軟件采用GreenDao數(shù)據(jù)庫框架。GreenDao是由Square公司開源的一個數(shù)據(jù)庫框架，基于對象關(guān)系映射(ORM)原理，將Java對象映射到SQLite數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存，并且GreenDao對SQL語句進(jìn)行了封裝，不需要編寫復(fù)雜的SQL語句即可完成增、刪、改、查等操作，且該框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫加密，安全性高。

歷史記錄界面僅提供最近1周的歷史記錄，如果需要查詢更早之前的記錄，則點(diǎn)擊自定義查詢按鍵選擇查詢的日期，GreenDao則查詢自定義日期的歷史記錄，將結(jié)果顯示給管理員。

4 遠(yuǎn)程服務(wù)端設(shè)計

4.1 服務(wù)端總體設(shè)計

該遠(yuǎn)程服務(wù)端是基于JavaEE平臺所開發(fā)的一個Web應(yīng)用服務(wù)端[8]，服務(wù)端運(yùn)行于Tomcat服務(wù)器上，遠(yuǎn)程服務(wù)端通過服務(wù)連接器(Servlet)響應(yīng)客戶端的請求。Servlet是基于超文本傳輸協(xié)議(HTTP)運(yùn)行于服務(wù)端的程序。當(dāng)客戶端產(chǎn)生一個請求時，向服務(wù)端請求對應(yīng)的Servlet來處理該請求，并返回請求結(jié)果，服務(wù)端通過操作MySQL數(shù)據(jù)庫存取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程服務(wù)端的設(shè)計框架如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程服務(wù)端框架

服務(wù)端通過建立套接字(Socket)連接[10]與智能門鎖終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為了保證該連接不被斷開，智能門鎖終端需要間隔固定時間向服務(wù)端發(fā)送心跳包[9]，當(dāng)智能門鎖終端監(jiān)測到服務(wù)端發(fā)送過來的指令時，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)解析指令并執(zhí)行相應(yīng)程序，執(zhí)行完后向服務(wù)端返回數(shù)據(jù)。

4.2 心跳包機(jī)制

門鎖終端為了維持與服務(wù)端的連接通信，需要每隔固定的時間向服務(wù)端發(fā)送心跳幀數(shù)據(jù)，使得服務(wù)端可以判斷該終端為存活狀態(tài)，并且保證了終端IP地址不會產(chǎn)生變化。這是由于物聯(lián)網(wǎng)卡的IP地址是由運(yùn)營商動態(tài)分配，因此，如果在一段時間內(nèi)沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信，將會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(network address translation，NAT)超時而被淘汰， IP地址將被收回，造成連接斷開。當(dāng)重新連接后，由于IP地址發(fā)生變化，不利于服務(wù)端與終端連接的穩(wěn)定性，因此需在終端與服務(wù)端之間建立心跳包機(jī)制，圖9所示為心跳包機(jī)制示意圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，終端在1 d正常運(yùn)行的情況下所產(chǎn)生的流量僅為1 MB左右，流量費(fèi)用十分經(jīng)濟(jì)。

t1、t2、t3—服務(wù)端接收到客戶端心跳包時間。圖9 心跳包機(jī)制

4.3 異常處理機(jī)制

由于門鎖終端與服務(wù)端必須保持穩(wěn)定連接， 門鎖終端才能正常接收指令，而在實(shí)際環(huán)境中，卻無法避免一些特殊情況或不可抗性因素導(dǎo)致連接斷開，例如程序跑飛、網(wǎng)絡(luò)中斷、服務(wù)端異常等情況，因此控制系統(tǒng)中需要有相應(yīng)的異常機(jī)制對這類異常情況進(jìn)行處理。上述所有情況的發(fā)生都將導(dǎo)致門鎖終端與服務(wù)端連接斷開，此時管理員在手機(jī)客戶端的操作將返回失敗結(jié)果。該異常機(jī)制的處理將分為以下3個步驟：

1)首先，連接斷開之后，服務(wù)端將無法接收到終端發(fā)送的心跳包。在服務(wù)端程序中設(shè)置當(dāng)連續(xù)3個周期內(nèi)沒有收到終端發(fā)送的心跳包，此時服務(wù)端將判斷連接已經(jīng)斷開，并將智能門鎖終端數(shù)據(jù)表中對應(yīng)終端連接狀態(tài)值修改為0，表示此時該終端狀態(tài)為斷開狀態(tài)，該值為1時表示為正常連接狀態(tài)。

2)管理員在手機(jī)客戶端進(jìn)行頁面刷新時發(fā)送HTTP請求，服務(wù)端將返回門鎖終端狀態(tài)值，對于異常終端，其狀態(tài)值為0，客戶端將會對異常終端進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)紅狀態(tài)顯示，并且設(shè)置開關(guān)為不可點(diǎn)擊狀態(tài)，此時無法對該終端進(jìn)行開關(guān)操作。

3)終端沒有收到服務(wù)端的心跳反饋時，終端程序中表示獲取服務(wù)端心跳反饋的布爾變量值為假，將進(jìn)入重連服務(wù)端的一個循環(huán)，直到該值變?yōu)檎?。如果是由于STM 32模塊程序跑飛導(dǎo)致，則會由看門狗電路實(shí)現(xiàn)對模塊重啟，重新與服務(wù)端進(jìn)行連接。

經(jīng)過以上3個步驟，門鎖終端與服務(wù)端重新建立連接，服務(wù)端獲取終端的IP地址和端口號將存儲在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并將終端數(shù)據(jù)表中對應(yīng)終端的連接狀態(tài)值改為1。

5 系統(tǒng)測試

5.1 正常運(yùn)行測試

將智能門鎖遠(yuǎn)程服務(wù)端部署于云服務(wù)器上， 手機(jī)運(yùn)行客戶端， 登錄數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的管理員賬號密碼， 登錄成功后進(jìn)入主界面， 選擇事先設(shè)定的樣機(jī)所屬區(qū)域， 滑動開關(guān)， 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)開鎖動作。 將SwichCompat滑動至另一側(cè)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖動作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動完成需要0.3 s左右時間，客戶端發(fā)出指令至終端完成指令時間差為1.2 s左右。由于終端模塊為GPRS模塊，理論傳輸速率僅為56～114 kb/s，因此在進(jìn)行開關(guān)動作之后必須設(shè)定一定延時間隔，防止再次操作，才能保證智能門鎖正常工作。

5.2 異常運(yùn)行測試

由于智能門鎖在某些因素影響下會出現(xiàn)與服務(wù)端連接斷開的情況，造成開、關(guān)鎖服務(wù)失敗。通過實(shí)驗(yàn)分析歸納出導(dǎo)致與服務(wù)端斷開連接3個主要因素，分別為電源中斷、網(wǎng)絡(luò)異常和模塊工作異常的情況。本文中對智能門鎖由以上3種因素導(dǎo)致的異常情況產(chǎn)生進(jìn)行了異常運(yùn)行測試實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)異常處理機(jī)制的穩(wěn)定性。

對以上3種情況分別進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)測試，統(tǒng)計出了3種情況下終端與服務(wù)端重新進(jìn)行連接平均所需時間。利用電源的開和關(guān)模擬電源中斷的情況，屏蔽網(wǎng)絡(luò)信號模擬網(wǎng)絡(luò)異常的情況以及設(shè)置看門狗重啟模塊來模擬模塊工作異常的情況，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 異常運(yùn)行測試實(shí)驗(yàn)下終端重連時間

通過對軟件及硬件功能測試，成功實(shí)現(xiàn)了對門鎖的正常操作，并且模擬了終端出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致終端與服務(wù)器斷開連接，實(shí)驗(yàn)測試終端異常處理機(jī)制，可自動恢復(fù)與服務(wù)端的連接，除此之外，管理員通過手機(jī)客戶端可以定位工作異常的終端，進(jìn)行上報維護(hù)。

本實(shí)驗(yàn)對智能門鎖分別進(jìn)行了正常運(yùn)行與異常運(yùn)行測試，測試情況表現(xiàn)良好，軟件整體的功能性基本滿足管理人員的要求，實(shí)現(xiàn)方便管理。

6 結(jié)論

本文中設(shè)計的智能門鎖控制系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)與Android平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)模塊通信，通過手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓門鎖的遠(yuǎn)程管理，保障了教室財物的安全，減小了管理員的工作強(qiáng)度。對客戶端的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了加密處理，保證了客戶端使用的安全性。本設(shè)計完成了硬件部分的設(shè)計、客戶端軟件及服務(wù)端程序的編寫，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能要求。該系統(tǒng)成本低廉，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，適合于教學(xué)樓的遠(yuǎn)程管理。