陳明忠，陳榮軍

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 汕頭 515078；2. 廣東技術(shù)師范大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510665）

鎖具分為機(jī)械鎖和智能門鎖.機(jī)械鎖使用金屬鑰匙開鎖，存在兩個弊端：一是金屬鑰匙需要隨身攜帶容易丟失，二是金屬鑰匙容易復(fù)制、安全性差［1］.隨著人們對生活質(zhì)量的追求，機(jī)械鎖已不能滿足人們對生活簡便、高效、安全的需求，智能門鎖應(yīng)運而生.智能門鎖主要使用射頻、IC卡、指紋、數(shù)字密碼等方式完成開鎖動作［2］，無需攜帶金屬鑰匙，廣泛應(yīng)用在短租房、酒店業(yè)和高檔住宅中.

當(dāng)現(xiàn)行的智能門鎖應(yīng)用到短租房以后，若租戶初次看房，短租房房主必須親自到達(dá)現(xiàn)場為租戶開門，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖；當(dāng)現(xiàn)行的智能門鎖應(yīng)用到酒店業(yè)以后，若客人辦理入住手續(xù)時，必須提供身份證給前臺核查，增加了客人的等待時間.使用IC卡開鎖還存在IC卡容易被非法復(fù)制等問題.本文設(shè)計了一款基于STM32和云平臺的智能門鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許房主或酒店服務(wù)員對智能門鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制［3］，允許客人憑身份證在門鎖端驗證個人信息，節(jié)省客人在前臺辦理入住手續(xù)時的等待時間.

1 整體設(shè)計方案

為了實現(xiàn)短租房房主或酒店服務(wù)員遠(yuǎn)程控制門鎖，就需要開發(fā)一個手機(jī)端程序，然后上傳到云平臺上.如果在門鎖端與云平臺之間選用Wi-Fi 連接方式，這就需要在門鎖端加入Wi-Fi 模塊，通過Wi-Fi模塊連接房間里的路由器，然后再連接到云平臺［4］.通常，客人入住酒店、旅館時都需要將身份證呈交前臺核查，增加客人的等待時間.如果客人在網(wǎng)上訂好房間，就要在門鎖端刷身份證進(jìn)入房間，這就需要在門鎖端加入身份證識別模塊.

綜合上述分析，基于STM32和云平臺的智能門鎖系統(tǒng)包括三部分，即門鎖端、云平臺和手機(jī)端程序［5］.門鎖端以STM32微控制器為核心，外接Wi-Fi模塊、身份證識別模塊、數(shù)字鍵盤模塊，主要實現(xiàn)身份驗證和門鎖的開關(guān)控制，并將門鎖的開關(guān)信息上傳到云平臺（見圖1）.云平臺使用專用于智能家居環(huán)境的京東微聯(lián)，主要對Wi-Fi模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)加上時間戳，以便顯示數(shù)據(jù)發(fā)生的時間，同時將用戶在手機(jī)端的注冊信息傳輸?shù)介T鎖端.手機(jī)端程序采用Html5開發(fā)，以京東微聯(lián)云為服務(wù)器.用戶通過手機(jī)訪問云平臺，首先進(jìn)行身份注冊和房間預(yù)訂，當(dāng)?shù)卿浽破脚_后，便可實現(xiàn)門鎖的遠(yuǎn)程控制，并能查看門鎖當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)時間等.系統(tǒng)總體框架如圖1所示，STM32與數(shù)字鍵盤模塊的通信協(xié)議是IIC［6］，與身份證識別模塊的通信協(xié)議是USART，與Wi-Fi模塊的通信協(xié)議是SPI；門鎖端、云平臺、手機(jī)端使用JoyLink協(xié)議通信.

2 門鎖端硬件選型與設(shè)計

2.1 STM32微控制器

STM32是意法半導(dǎo)體集團(tuán)（ST）推出的一種高性能、低成本的基于ARM Cortex-M架構(gòu)的微控制器（MCU），本系統(tǒng)選用STM32F103RBT6作為微控制器.該微控制器具有如下優(yōu)勢：

（1）運行速度快，工作頻率高達(dá)72MHz；

（2）儲存容量大，內(nèi)部集成128KB FLASH和20KB的SRAM；

（3）低電壓、低功耗，工作電壓為2.0～3.6V，可設(shè)置待機(jī)、停止和睡眠三種低功耗模式；

（4）外設(shè)接口豐富，有51個IO口：PA0～PA15、PB0～PB15、PC0～PC15、PD0～PD2；

（5）擁有9個通信接口，分別是2個IIC接口、2 個SPI 接 口、3 個USART 串 口、1 個CAN、1個USB；

（6）程序調(diào)試方便，各功能模塊在PC 端開發(fā)，然后編譯、生成目標(biāo)文件后，通過ARM仿真器就可燒寫到STM32的存儲器中［7］.

2.2 身份證識別模塊

身份證識別模塊選用廣州華大股份的MINI身份證閱讀套件板，如圖2所示.該套件是經(jīng)公安機(jī)關(guān)批準(zhǔn)備案的，專用于讀取居民身份證芯片內(nèi)所存儲的壓縮信息，采用非接觸式IC 卡技術(shù)［8］，通過USART 口與STM32 通信，套件的RX、TX 引腳分別與STM32 的PB10、PB11連接.

讀卡時，STM32采用輪詢法向身份證識別模塊發(fā)送讀取指令，身份證識別模塊將身份壓縮信息反饋給STM32，STM32將身份壓縮信息還原出來，包括姓名、性別、身份證號、照片等，將對身份證號進(jìn)行驗證，判斷該身份證的有效性，從而實現(xiàn)開鎖動作.

2.3 數(shù)字鍵盤模塊

數(shù)字鍵盤模塊由一塊12路電容式觸摸傳感芯片CP2532（如圖3所示），外嵌4×3電容式按鍵組成［9］.在12個按鍵中，除了數(shù)字0～9，還包括“＊”和"＃”分別代表“取消”和“確定”.

該模塊利用CDC（電容數(shù)字轉(zhuǎn)換）技術(shù)把按鍵時產(chǎn)生的電容變化量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過IIC 接口傳送給STM32［10］.CP2532 芯片的INTN、SCL、SDA 引腳分別與STM32 的PB5、PB6、PB7 連接，IADJ引腳通過外接電阻來調(diào)節(jié)12路按鍵的靈敏度.當(dāng)某個按鍵被按下時，中斷狀態(tài)寄存器ISR對應(yīng)位自動置1，芯片的INTN引腳將由高電平變成低電平，并通過PB5傳送給STM32，STM32檢測到中斷信號后，就知曉哪個按鍵被按下，從而實現(xiàn)密碼開鎖.

2.4 Wi-Fi模塊

Wi-Fi 模塊選用北京聯(lián)盛德的WMSP06 模塊.該模塊內(nèi)置32 位ARM CPU、416KB 存儲空間，適應(yīng)于二次開發(fā)；該模塊支持IEEE802.11b/g/i 無線標(biāo)準(zhǔn)，支持高速的SPI 通信，速率最高達(dá)到50Mbps，滿足Wi-Fi模塊與STM32的通信需求.WMSP06模塊還具有自動連接無線網(wǎng)絡(luò)、靈敏度高、功耗低等優(yōu)點.WiFi模塊與STM32采用SPI協(xié)議通信，WiFi模塊的SPI_CS、SPI_CLK、SPI_DO、SPI_DI引腳分別與STM32的PA4、PA5、PA6、PA7連接.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

按軟件的開發(fā)工具和運行環(huán)境，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為STM32程序設(shè)計、Wi-F模塊設(shè)計和手機(jī)端程序設(shè)計三部分.STM32程序設(shè)計主要實現(xiàn)對板載資源的初始化、用戶身份驗證和智能門鎖的開關(guān)控制，包括STM32芯片的邏輯控制的設(shè)計、身份證識別模塊和數(shù)字鍵盤模塊的設(shè)計，STM32程序的開發(fā)工具為Keil MDK，經(jīng)編譯后燒寫到STM32芯片的Flash中.Wi-Fi模塊的開發(fā)工具為Keil C51，經(jīng)燒寫后存入Wi-Fi模塊的存儲空間中.手機(jī)端程序的開發(fā)工具為Html5，開發(fā)后移殖到云平臺中.

3.1 STM32程序設(shè)計

STM32 程序分為主程序模塊、身份證識別模塊、數(shù)字鍵盤模塊［11］.當(dāng)STM32 上電之后，首先對系統(tǒng)資源初始化，包括系統(tǒng)時鐘、LED、Key、以及USART、IIC、SPI通信端口初始化，然后對NVIC（嵌套中斷向量控制器）初始化，緊接著，定時器開始計時，并檢測USART、IIC、SPI通信端口是否有中斷請求，若在設(shè)定的時間內(nèi)檢測到某個通信端口有中斷請求，則執(zhí)行相應(yīng)的子模塊后，定時器才重新計時.若在設(shè)定的時間內(nèi)沒有檢測到任何中斷請求，則定時器重新計時，開始新一輪中斷請求的檢測.程序流程圖如圖4所示.

3.1.1 身份證識別模塊設(shè)計

STM32向串口發(fā)送尋證指令，當(dāng)收到“檢測到身份證”的反饋信息之后，再向串口發(fā)送讀證指令［12］.若讀證成功，則從讀到的身份證信息提取身份證號，再從數(shù)據(jù)庫中尋找該身份證號，若找到，則開啟門鎖，并通過Wi-Fi模塊上傳門鎖狀態(tài)；否則，發(fā)出錯誤信息.程序流程圖如圖5所示.

圖4 主程序流程圖

圖5 身份證識別模塊流程圖

3.1.2 數(shù)字鍵盤模塊設(shè)計

首先定義一個數(shù)組用于存放數(shù)字密碼.當(dāng)STM32的PB5引腳有中斷請求時，STM32就向IIC接口發(fā)送查詢指令，讀取傳感芯片CP2532ISR（中斷狀態(tài)寄存器）置1 的位號，并將該位號轉(zhuǎn)換成鍵值.若讀取的鍵值為數(shù)字，則將鍵值存儲到數(shù)組中；若讀取的鍵值為“*”（取消鍵），則清空數(shù)組；若讀取的鍵值為“#”（確定鍵），則將用戶輸入的密碼與從Flash中讀取的系統(tǒng)密碼相比較，若系統(tǒng)密碼包含在輸入密碼中，則開鎖，否則，發(fā)出錯誤信息.程序流程圖如圖6所示.

3.2 Wi-Fi模塊設(shè)計

圖6 數(shù)字鍵盤模塊流程圖

Wi-Fi模塊的代碼存放在Wi-Fi模塊的存儲空間中.Wi-Fi模塊上電后，首先檢查內(nèi)部是否有聯(lián)網(wǎng)配置信息，如果沒有，則讓手機(jī)連接無線路由器，然后通過oneshot 軟件配置Wi-Fi 的信息（包括ssid、password、加密方式），再通過廣播方式向Wi-Fi 模塊發(fā)送配置信息［13］；如有，則嘗試Wi-Fi 模塊與無線路由器的連接.當(dāng)聯(lián)網(wǎng)成功后，Wi-Fi模塊就充當(dāng)STM32和云平臺之間信息傳遞的媒介，一方面，Wi-Fi模塊接收STM32 發(fā)來的門鎖開關(guān)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給云平臺；另一方面，Wi-Fi模塊接收云平臺發(fā)來的門鎖遠(yuǎn)程控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)給STM32.程序流程圖如圖7所示.

3.3 手機(jī)端程序設(shè)計

3.3.1 云平臺簡介

京東微聯(lián)官網(wǎng)提供了開發(fā)者平臺，設(shè)備廠商可以通過云平臺對自己的產(chǎn)品進(jìn)行升級優(yōu)化，云平臺也為每個產(chǎn)品分配唯一的調(diào)試序列號（UUID）［14］.只要在手機(jī)端指定UUID，就可以將手機(jī)端程序推送到云平臺的相應(yīng)產(chǎn)品中.京東微聯(lián)云平臺提供了JoyLink協(xié)議的SDK，只需要將SDK移植到Wi-Fi模塊中，即可實現(xiàn)門鎖端與手機(jī)端的交互，門鎖端的數(shù)據(jù)包通過云平臺時會自動加上時間戳.

3.3.2 手機(jī)端程序設(shè)計

手機(jī)端程序設(shè)計包括Html5界面設(shè)計和控制邏輯設(shè)計［15］.

手機(jī)界面從上到下按導(dǎo)航區(qū)、功能控制區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)布局.功能控制區(qū)主要實現(xiàn)門鎖的遠(yuǎn)程控制、用戶的身份注冊和房間預(yù)訂，狀態(tài)顯示區(qū)主要顯示門鎖的開關(guān)狀態(tài).

Html5界面設(shè)計基于京東微聯(lián)APP，通過京東微聯(lián)的JDSMART控件，用戶可以對不同智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.控制邏輯設(shè)計由JavaScript實現(xiàn)，采用vue控件搭建一種交互界面的漸進(jìn)式框架，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向綁定，從而快捷地實現(xiàn)事件觸發(fā)和數(shù)據(jù)更新.當(dāng)手機(jī)端加載頁面時，系統(tǒng)會調(diào)用JDSMART.app.getNetworkType方法獲取app的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；調(diào)用JDSMART.ready方法對設(shè)備信息進(jìn)行初始化.通過定時函數(shù)和JDSMART.io.getSnapshot方法獲取設(shè)備快照，以及時獲取設(shè)備的狀態(tài)，并刷新頁面的狀態(tài)顯示區(qū).在頁面的功能控制區(qū)，通過vue控件與click事件的綁定構(gòu)造power按鈕，當(dāng)用戶點擊該按鈕時，就調(diào)用JDSMART.io.controlDevice方法發(fā)送控制消息到設(shè)備端，并實時刷新頁面.

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)行的智能門鎖控制系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計了一款智能門鎖控制系統(tǒng).整個系統(tǒng)分為門鎖端、云平臺和手機(jī)端三部分，并對門鎖端進(jìn)行硬件選型與設(shè)計.根據(jù)軟件的開發(fā)工具和運行環(huán)境，把本系統(tǒng)的軟件分為STM32程序、Wi-Fi模塊程序和手機(jī)端程序三個模塊，并對每個模塊進(jìn)行功能設(shè)計.通過對該款智能門鎖進(jìn)行50次的身份證開鎖、50次的數(shù)字密碼開鎖和50次的手機(jī)端遠(yuǎn)程開鎖，其中合法身份證和非法身份證各25次，合法密碼和非法密碼各25次.測試表明，使用合法身份證和合法密碼都能快速正常開鎖，使用非法身份證和非法密碼都無法開鎖，通過手機(jī)端每次都能遠(yuǎn)程開鎖，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性.