摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于華為L(zhǎng)iteOS和人工智能技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能門鎖系統(tǒng)，旨在為用戶提供低成本、便捷、安全、節(jié)能環(huán)保和智能化的智能門鎖解決方案。該系統(tǒng)采用STM32L431RCT6為主芯片，集成WiFi模塊、矩陣按鍵、LED燈、蜂鳴器、RFID、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠(yuǎn)程開鎖、門鎖狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等多種功能；系統(tǒng)采用了LiteOS，具有功耗低、響應(yīng)快、安全可靠等特點(diǎn)；系統(tǒng)通過在STM32上運(yùn)行人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)門鎖與室內(nèi)燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的智能化聯(lián)動(dòng)，提升了系統(tǒng)的智能化水平，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)的成本；系統(tǒng)具備異常報(bào)警、防歹徒挾持等功能，能夠保護(hù)用戶的人身安全；用戶可以通過微信小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的工作狀態(tài)，有效避免忘記關(guān)門或家電而帶來的安全隱患和能源浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：華為L(zhǎng)iteOS；物聯(lián)網(wǎng)；智能門鎖；嵌入式；STM32；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能門鎖作為智能家居的重要組成部分，正逐漸受到市場(chǎng)的關(guān)注和用戶的青睞。智能物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、自動(dòng)駕駛城市計(jì)算、智能制造等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景[1]。目前，物聯(lián)網(wǎng)門鎖市場(chǎng)呈現(xiàn)出四大特點(diǎn)：

（1）多功能集成：現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)門鎖不僅具備基本的開鎖功能，還集成了諸如監(jiān)控、報(bào)警、智能識(shí)別等多種功能[2]；

（2）移動(dòng)應(yīng)用控制：大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)門鎖都支持通過手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行控制，用戶可以通過移動(dòng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程鎖定和解鎖[3]；

（3）重視安全性：由于涉及到家庭安全，物聯(lián)網(wǎng)門鎖在安全性方面采取了多重措施，例如應(yīng)用先進(jìn)的加密技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)（如指紋識(shí)別、面部識(shí)別）等[4-6]；

（4）平臺(tái)化與生態(tài)整合：許多物聯(lián)網(wǎng)門鎖品牌都在打造自己的生態(tài)系統(tǒng)，與其他智能家居設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，為用戶提供更為便利和智能的居住體驗(yàn)。

然而，盡管物聯(lián)網(wǎng)門鎖市場(chǎng)前景廣闊，但目前仍面臨著操作性、安全性、功耗以及用戶隱私保護(hù)等方面的多重挑戰(zhàn)。

LiteOS是一款輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，最小內(nèi)核尺寸僅為6 KB，具備快速啟動(dòng)、低功耗等優(yōu)勢(shì)[7]。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一款基于LiteOS和人工智能技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能門鎖系統(tǒng)，在滿足門鎖基本功能的基礎(chǔ)上，為用戶提供了更加實(shí)用的物聯(lián)網(wǎng)和智能化功能，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高度智能化、更高的安全性和更實(shí)用的功能，充分滿足了用戶多樣化的需求。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)為用戶提供了一種智能化、價(jià)格便宜、功能實(shí)用、使用便捷、安全可靠的物聯(lián)網(wǎng)智能門鎖解決方案。該方案基于LiteOS和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)智能門鎖功能，包括：室內(nèi)按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠(yuǎn)程開鎖、門鎖狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常報(bào)警、防歹徒挾持，以及基于人工智能算法實(shí)現(xiàn)門鎖與室內(nèi)燈光/空調(diào)/加濕器智能聯(lián)動(dòng)等功能，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

用戶可以通過本系統(tǒng)對(duì)門鎖狀態(tài)、燈光狀態(tài)、溫濕度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而隨時(shí)掌控家庭環(huán)境狀態(tài)。通過運(yùn)行智能化的算法[8]，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了門鎖與燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的智能化聯(lián)動(dòng)，能夠有效避免忘記關(guān)門或關(guān)閉家電而帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和能源浪費(fèi)。用戶還可通過微信小程序手動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖和關(guān)鎖、遠(yuǎn)程燈光控制、遠(yuǎn)程空調(diào)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程加濕器控制和一鍵報(bào)警等功能，滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理的實(shí)際需求。本系統(tǒng)采用華為L(zhǎng)iteOS物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有功耗低、響應(yīng)快、安全可靠等特點(diǎn)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案

本系統(tǒng)的硬件主要包括：主芯片、WiFi通信模塊[9]、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏、RFID、繼電器、電磁鎖等，硬件選型及理由見表1。

2.2 軟件方案

本系統(tǒng)的軟件功能包含3個(gè)模塊：設(shè)備端軟件、華為云端軟件與微信小程序端軟件，系統(tǒng)整體流程如圖2所示。

2.2.1 設(shè)備端軟件

實(shí)現(xiàn)功能包括：各模塊初始化、任務(wù)函數(shù)創(chuàng)建以及LiteOS系統(tǒng)運(yùn)行、控制功能模塊設(shè)計(jì)、智能化功能、LCD界面設(shè)計(jì)。

（1）各模塊初始化

各模塊初始化包括主芯片STM32L431RCT6、WiFi模塊、LED燈、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等模塊的初始化。

（2）任務(wù)函數(shù)創(chuàng)建及LiteOS系統(tǒng)運(yùn)行

基于LiteOS系統(tǒng)，采用多線程來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)功能。創(chuàng)建了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的任務(wù)函數(shù)，包括：門鎖管理（門鎖狀態(tài)、開鎖、關(guān)鎖）、射頻卡管理（添加射頻卡、刪除射頻卡）、密碼管理（密碼設(shè)置、輸入密碼、密碼驗(yàn)證等）、MQTT通信（狀態(tài)上傳、控制碼接收）、LCD信息顯示、防歹徒挾持、智能化聯(lián)動(dòng)等功能。

（3）控制功能模塊設(shè)計(jì)

開鎖功能設(shè)計(jì)：室內(nèi)按鍵開鎖、射頻卡開鎖、按鍵輸入密碼開鎖、微信小程序開鎖。

關(guān)鎖功能設(shè)計(jì)：開鎖5 s后自動(dòng)關(guān)鎖，微信小程序關(guān)鎖。

狀態(tài)信息上傳和控制命令接收功能設(shè)計(jì)：通過WiFi模塊采用MQTT通信與華為云進(jìn)行信息交互[10]。上傳的數(shù)據(jù)包括溫濕度數(shù)據(jù)、室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、門鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)、加濕器開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)；接收的控制命令包括燈、空調(diào)、加濕器、門鎖等設(shè)備的開關(guān)控制。

報(bào)警功能設(shè)計(jì)：如果門長(zhǎng)時(shí)間未關(guān)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警；不法分子采用暴力手段破壞門鎖時(shí)，門鎖也會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

防歹徒挾持功能設(shè)計(jì)：在有歹徒跟蹤時(shí)，用戶可通過特殊按鍵一鍵報(bào)警。

按鍵功能設(shè)計(jì)：不同按鍵對(duì)應(yīng)不同的功能，按鍵0～9為用戶輸入密碼按鍵；按鍵10為屋內(nèi)開鎖按鍵；按鍵11為防歹徒挾持報(bào)警按鍵，按下后觸發(fā)報(bào)警；按鍵12為解除報(bào)警按鍵；按鍵13為重新輸入密碼按鍵；按鍵14為添加射頻卡按鍵；按鍵15為刪除射頻卡按鍵。

（4）智能化功能

手動(dòng)遠(yuǎn)程控制：通過微信小程序手動(dòng)進(jìn)行管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，解決了因用戶出門忘記關(guān)門、燈、空調(diào)、加濕器等設(shè)備而造成的安全隱患和能源浪費(fèi)問題以及難以為他人遠(yuǎn)程授權(quán)開門的痛點(diǎn)問題，提升了門鎖使用的便捷性和智能化。

智能化聯(lián)動(dòng)：首先采集室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、燈光狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)、加濕器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用Keras框架進(jìn)行訓(xùn)練后得到model.h5模型；然后使用CUBE.AI的擴(kuò)展包導(dǎo)入訓(xùn)練好的h5模型；最后在工程中調(diào)用AI模型，實(shí)現(xiàn)門鎖與室內(nèi)燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的智能化聯(lián)動(dòng)。例如：門鎖打開后，若室內(nèi)光線較弱則控制室內(nèi)的燈自動(dòng)打開；門鎖打開后，若室內(nèi)光線較強(qiáng)則控制室內(nèi)的燈保持關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)用戶使用習(xí)慣和室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)智能化控制空調(diào)/加濕器設(shè)備，在智能化控制的基礎(chǔ)上也允許用戶手動(dòng)操作和控制。通過這些智能聯(lián)動(dòng)功能，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高效的節(jié)能環(huán)保。

（5）LCD界面設(shè)計(jì)

在LCD屏上顯示主要信息包括：門鎖狀態(tài)、室內(nèi)光照、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室內(nèi)燈、刷卡、密碼等。

2.2.2 華為云端軟件

設(shè)備端的數(shù)據(jù)通過WiFi使用MQTT協(xié)議與華為云進(jìn)行通信，華為云端主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：MQTT訂閱主題（華為云對(duì)設(shè)備的控制命令）、發(fā)布消息（溫度、濕度、鎖的狀態(tài)、燈的狀態(tài)）到華為云服務(wù)器、提供API使微信小程序與設(shè)備通信。

2.2.3 微信小程序端軟件

小程序端能夠?yàn)橛脩籼峁┻h(yuǎn)程控制設(shè)備和實(shí)時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的便捷途徑，為用戶提供安全、便捷、智能的物聯(lián)網(wǎng)門鎖使用體驗(yàn)。用戶通過小程序端能夠?qū)囟?、濕度、光照?qiáng)度等室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)以及對(duì)門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還可以遠(yuǎn)程對(duì)門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 開機(jī)及功能界面顯示

接通電源（支持12 V適配器供電、12 V電池供電、USB線供電等），設(shè)備自動(dòng)開機(jī)，開機(jī)畫面如圖3（a）所示；設(shè)備初始化成功后進(jìn)入功能界面，實(shí)時(shí)顯示門鎖狀態(tài)、溫濕度、光照強(qiáng)度、燈光狀態(tài)、刷卡情況、輸入密碼情況等，如圖3（b）所示。

3.2 設(shè)備端功能測(cè)試

設(shè)備端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)按鍵開鎖、射頻卡開鎖、按鍵輸入密碼開鎖、智能聯(lián)動(dòng)等功能。LCD顯示及智能聯(lián)動(dòng)功能展示如圖4所示，當(dāng)采用射頻卡開鎖且室內(nèi)光線較弱時(shí)，室內(nèi)燈自動(dòng)打開，LCD界面上顯示“燈已開”。

3.3 小程序端測(cè)試

在小程序端，用戶通過點(diǎn)擊“連接服務(wù)器”按鈕進(jìn)行設(shè)備連接，連接成功后可實(shí)時(shí)查看設(shè)備端的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可通過對(duì)應(yīng)的按鈕遠(yuǎn)程控制門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備，如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文將華為L(zhǎng)iteOS系統(tǒng)和人工智能技術(shù)應(yīng)用到智能物聯(lián)網(wǎng)門鎖系統(tǒng)中。本系統(tǒng)廣泛適用于家庭、辦公樓、酒店等應(yīng)用場(chǎng)景，并具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）低成本：選用STM32作為主芯片，外圍傳感器包括：WiFi模塊、Led燈、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等，這些模塊和主芯片均為業(yè)界主流的方案，量產(chǎn)價(jià)格較低，整套系統(tǒng)硬件成本較低，能夠滿足用戶對(duì)高性價(jià)比智能門鎖的需求。

（2）操作便捷：系統(tǒng)具有較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)和智能功能，滿足了用戶對(duì)智能門鎖的便捷性需求，包括：室內(nèi)按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠(yuǎn)程開鎖、門鎖狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常報(bào)警、防歹徒挾持、溫濕度顯示、基于人工智能算法實(shí)現(xiàn)門鎖與室內(nèi)燈光/空調(diào)/加濕器智能聯(lián)動(dòng)等。

（3）低功耗與長(zhǎng)壽命：本系統(tǒng)采用華為L(zhǎng)iteOS物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有功耗低、響應(yīng)快、安全可靠等特點(diǎn)，使得基于LiteOS的門鎖系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作而不需要頻繁充電或更換電池，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命，滿足了用戶對(duì)智能門鎖低功耗的需求。

（4）安全性強(qiáng)：本系統(tǒng)提供防歹徒挾持功能，保護(hù)用戶人身安全。在被歹徒跟蹤時(shí)，用戶可通過特殊按鍵一鍵報(bào)警；不法分子采用暴力手段破壞門鎖時(shí)，門鎖會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（5）節(jié)能與環(huán)保：提供智能化的算法，實(shí)現(xiàn)了門鎖與室內(nèi)燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的智能化聯(lián)動(dòng)，能夠有效避免忘記關(guān)門或家電而帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和能源浪費(fèi)。用戶還可通過微信小程序手動(dòng)進(jìn)行管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控門鎖、燈光、空調(diào)、加濕器等設(shè)備的狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)一步節(jié)省電能。

（6）可擴(kuò)展性和靈活性：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于LiteOS的門鎖系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級(jí)，比如增加新的傳感器或執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)更多的自動(dòng)化功能。

參考文獻(xiàn)

[1]郭斌，劉思聰，劉琰，等.智能物聯(lián)網(wǎng)：概念、體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2023，46（11）：2259-2278.

[2]常國(guó)權(quán).基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（17）：38-40.

[3]徐曉峰. 5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下高校真人圖書館服務(wù)創(chuàng)新策略研究 [J]. 圖書館工作與研究，2021，43（8）：62-68.

[4]胡艷茹.一種智能藍(lán)牙指紋密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（9）：119-123.

[5]王尊龍 .一種指紋識(shí)別密碼鎖的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2019，26（2）：27-28.

[6]宋春鳳，黃誠(chéng)文，燕佳豐，等.智能電子鎖的設(shè)計(jì)[J].電子制作，2020，27（19）：34-37.

[7]孫中皋，王新軍，王玉新. 基于Huawei LiteOS的認(rèn)養(yǎng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（2）：140-146.

[8]李武軍，王崇駿，張煒，等.人臉識(shí)別研究綜述[J].模式識(shí)別與人工智能能，2006，19 （1）：58-66.

[9]馬海霞，高偉豪，曾超華，等.基于WiFi的無線智能門鎖設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（21）：160-163.

[10]關(guān)宇晟.基于華為云IoTDA的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2022（2）：139-143.