摘要：為了提高門鎖的安全性，基于STM32和機智云設計了一款新型智能門鎖。該系統(tǒng)主要由STM32 主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲器單元、矩陣鍵盤單元、TFT 液晶顯示、手機APP 等模塊組成，實現(xiàn)了一款擁有警報功能的控制系統(tǒng)。此外，結合日常生活的實用性，在此基礎上增加手機無線遠程解鎖功能。

利用esp8266 無線傳輸模塊將智能門鎖與手機 APP 進行連接，并在同一局域網(wǎng)下， 機智云通過一鍵配置實現(xiàn)互通，并實時顯示和控制開、關鎖的狀態(tài)。最終組成完整系統(tǒng)并完成了調(diào)試。

傳統(tǒng)的鎖具不僅不方便而且安全系數(shù)較低，而智能門鎖由于隱私性高、編碼量多、隨機開鎖成功率低、密碼可隨時變化等優(yōu)點，滿足了人們更高的需求。將移動互聯(lián)網(wǎng)與無線通信結合起來的智能門鎖系統(tǒng)，不僅易于操作，而且推動了人機交換的進程。

借助 STM32F103ZET6 單片機優(yōu)異的實時性能、最大程度的集成整合、配置靈活、強大的編程和控制能力，設計了一種 STM32F103ZET6 為主控制器的智能門鎖系統(tǒng)， 結合鍵盤模塊、EEPROM 模塊、TFT 彩屏模塊和無線傳輸?shù)?*電路構建智能門鎖管理體系。在此基礎上增加手機無線遠程解鎖功能，利用 ESP8266 無線傳輸模塊，通過云服務器將智能門鎖設計與手機 APP 進行連接，并在同一局域網(wǎng)下機智云通過一鍵配置實現(xiàn)互通。此設計大大增加了實用性，而且有著更高的安全和可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設計

單片機作為控制程序的主要組成部分，為了獲得最佳的性價比并且需要聯(lián)網(wǎng)功能，所以需要選擇一個比較合理的單片機型號。又考慮到單片微型計算機的內(nèi)存、操作速度、性能、I/O 端口、定時器、計數(shù)器和串行端口等。除抗干擾性、封裝的形式、保密性能也存在一些基本要求，如優(yōu)先中斷源的數(shù)量、工作溫度的范圍、低電壓的檢測、時鐘脈沖發(fā)生器微控制器和復位功能，還應考慮開發(fā)過程、開發(fā)工具、程序員、研究成本、開發(fā)人員的適應性、技術支持和服務等方面。

基于這些因素，選擇 STM32 作為本設計的核心組件，使用靈活的設計、編程和多樣端口 I/O，并控制它的準確性。使用外部 AT24C02 芯片存儲密碼并通過TFT 彩屏實現(xiàn)顯示功能，利用無線傳輸將實物與機智云連接，在手機 APP 上顯示是否處于正常狀態(tài)和控制門鎖開關。最后使用鍵盤通過輸入密碼來實現(xiàn)各個功能。系統(tǒng)整體框圖見圖 1。

圖 1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 矩陣鍵盤模塊

鍵盤是單片機非常重要的輸入設備，分為獨立按鍵和矩陣按鍵，因此，使用起來很方便。這個設計需要大量的按鍵，所以使用矩陣按鈕來保存 I/O 線，當按下一個鍵時，通過某個側引腳給出一個低電平，并且對整個引腳進行掃描，看它是否與原始賦值相同，并根據(jù)相應的算法確定密碼（通過將值更改為初始值或根據(jù)結果）。鍵盤為 4×4 形式，按鍵包括數(shù)字 0~9，以及模式、改密、確認、取消、網(wǎng)絡復位和消除警報 6 個應用按鍵。如果需要輸入或更改密碼，按下相應的按鈕將會和單片機生成一個信號并執(zhí)行相應的程序。

1.3顯示模塊

彩屏顯示屏幕的像素點對應著 GRAM 的存儲單元，對應于芯片內(nèi)部有將數(shù)據(jù)從 GRAM 存儲單元轉換為 LCD 屏幕的控制信號，顯示界面就是由這些具有一定的顏色及亮度的各點組成。普通 TFT 的響應時間約為 80 ms 的較高速度，視角通常高達 130 度左右，主要用于高品質(zhì)產(chǎn)品，可以在屏幕上獲得高速、高亮度和高對比度的信息。

當光源照耀時，光源向上經(jīng)由過程下偏光板，液晶分子指導光芒，經(jīng)由過程遮光和透光達到測繪工具。因為TFT 彩屏具有很大的數(shù)據(jù)庫，所以傳統(tǒng)的單片機滿足不了更新界面時刷新數(shù)據(jù)的速度，因此有越來越多的工程師把它設計到產(chǎn)品中去。本設計采用的 ILI9341 通過配置引腳和控制信號線就可以使芯片工作在需要的模式，芯片使用 8080 接口或者 SPI 接口與 MCU 進行通訊。

1.4無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用 ESP8266WIFI 模塊，ESP8266 有著同類產(chǎn)品所沒有的高配置和兼容性，它配置的Flash 為 4 MB，內(nèi)存為 80 KB。支持的方式有 AT 指令、C、Python、Javascript 和 Lua 等。而且ESP8266模塊自帶總線拓展與外設等接口，利用該性能將系統(tǒng)與手機 APP 進行聯(lián)合就可以達到人機交流的目的。該模塊原理見圖 2。

1.5存儲模塊

EEPROM 模塊的 IIC 總線由單片機控制，掛在 IIC 總線上的設備可以很多個，每個有獨立的地址，但單片機發(fā)送指定的地址之后，該地址的對應設備就會向單片機發(fā)送一個應答信號運行該系統(tǒng)。

該設計使用的是 AT24C02 芯片，用于存儲數(shù)據(jù)和特定的一些任務、尋找指令和接收發(fā)送數(shù)據(jù)。AT24C02 是一個2 K 位串行的 CMOS E2PROM，采用兩線串行總線與STM32進行交流。AT24C02 的頁面寫入緩沖區(qū)為 16 字節(jié)， 該芯片僅利用 IIC 總線接口提供寫保護。電源關閉裝置的功能是在電源開啟時存儲當前設定的價格信息。AT24C02原理見圖

1.6 智能鎖模塊

電磁鎖設計與具有電磁效應的電磁設計相同。當電流通過時，電磁鐵就會產(chǎn)生強大的拉力，把拉動的鐵片吸到門鎖上就達到鎖門的目的。只要一個微小的電流可以產(chǎn)生很大的磁力，正確關掉電源之后，電磁鎖失去吸收力，就可以打開。

繼電器是由電從而達到控制的一種裝置，控制系統(tǒng)與受控系統(tǒng)之間存在著相互作用的關系，在系統(tǒng)中相當于一個開關的存在。在正常狀態(tài)下，公共端與常閉端相接，當密碼輸入正確，將會導通，繼電器使能端將有電流通過，公共端就會與常開端連接，從而達到一個“開關”的目的。因此，它在諸如自動調(diào)諧、保護和轉換方案等電路中發(fā)揮作用。繼電器原理見圖 4

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)用C 語言編寫，主要由智能鎖模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊、矩陣鍵盤模塊以及密碼驗證和密碼更改這幾部分的設計組成。智能門鎖整體流程見圖 5。

2.1 智能鎖模塊程序設計

微控制器接受輸入代碼后并將其與EEPROM 中存儲的密碼進行比較。如果密碼正確，繼電器公共端與常開端保持連接狀態(tài)，電磁驅(qū)動器生效，鎖簧收縮開鎖；如果密碼不正確，繼電器處于常閉狀態(tài)，鎖將不會打開。

2.2 顯示模塊程序設計

顯示模塊主要負責顯示W(wǎng)iFi 連接、輸入密碼、更改密碼和開關鎖等實時狀態(tài)。它具有豐富多樣的接口、編程方便、易于擴展等良好的性能，同時在內(nèi)部設有特定的驅(qū)動，并且驅(qū)動 IC 自己集成顯示緩存，不需要外部顯示緩存，此設計選用的是 ILI9341 驅(qū)動芯片。該系統(tǒng)對硬件層的配置主要是對 STM32 的 I/O 端口的輸入/輸出和相關的寄存器進行設置，顯示驅(qū)動是向 TFT 彩屏發(fā)送數(shù)據(jù)、控制指令和簡單的畫點等函數(shù)。

2.3 無線傳輸模塊程序設計

ESP8266 是一款超低功耗 UART-WiFi 傳輸模塊，通過將物理設備連接至無線網(wǎng)絡上進行 Internet 或LAN 通信，從而提供網(wǎng)絡連接。該模塊有STA 模式、AP 模式和STA+AP 模式３種模式。

在設計中用 AP 模式就可以實現(xiàn)此功能，需用到指令：

1.設置 wifi 模式：AT+CWMODE=2

2.重啟生效：AT+RST

3.啟動多連接：AT+CIPMUX=1

4.建立 server：AT+CIPSERVER=1

2.4 矩陣鍵盤模塊程序設計

鍵盤選用的是 4×4 矩陣鍵盤，通過編程分別賦值給不同信息，從數(shù)值 0~9 中，任意選取 6 位數(shù)字作為輸入密碼，主要通過掃描的原理來判斷按鍵有無閉合及其位置信息，當按下一個鍵時，通過某個側引腳給出一個低電平，并且對整個引腳進行掃描，看它是否與原始賦值相同，并根據(jù)相應的算法確定密鑰有著實現(xiàn)復位、模式、更改密碼和確認等功能。

2.5 密碼驗證和密碼更改程序設計

當輸入密碼正確時，密碼驗證成功，成功開鎖。輸入密碼失敗超過３次，將會發(fā)出報警。用戶需要更改密碼時，需先輸入原始密碼，確認后輸入 2 次要改的密碼。

2.6 手機APP

機智云是AIoT開發(fā)及云服務平臺，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺及解決方案商，國家高新技術企業(yè)，國家級特色專業(yè)型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，工信部第五批服務型制造示范平臺，廣東省專精特新中小企業(yè)、廣東省“上云上平臺”應用服務平臺供應商、廣東省服務型制造示范平臺。

機智云聚焦物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術，立足制造企業(yè)設備智能化、場景數(shù)智化需求，基于機智云AIoT底層技術，通過研發(fā)自主可控的工業(yè)基礎軟件，構建AIoT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺及“軟件+硬件+算法+服務”一站式軟硬件解決方案，打通產(chǎn)品從設計研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)營到售后運維的全流程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備全生命周期數(shù)字化管理，有效幫助傳統(tǒng)制造企業(yè)低成本、高效率實現(xiàn)數(shù)字化轉型、智能化改造。

機智云主要產(chǎn)品涵括機智云工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè) DTU、工業(yè)網(wǎng)關、邊緣服務器、IoT AI 質(zhì)檢設備、企業(yè) APP 及 SaaS 系統(tǒng)、企業(yè)私有云等。產(chǎn)品及服務具有開放性強、關鍵技術領先、行業(yè)通用性廣、技術門檻低、實施成本低、實施效率快等顯著優(yōu)勢。機智云服務覆蓋全球200+國家/區(qū)域。行業(yè)主要覆蓋紡織、家電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、輕工、電子、電力、熱力和燃氣、農(nóng)業(yè)、機械等多個細分領域、形成多個行業(yè)解決方案。

3 系統(tǒng)調(diào)試

對系統(tǒng)結構分析之后，選取一個最適合的方案，并完成硬件的設計，之后完成編程與系統(tǒng)調(diào)試，先調(diào)試單獨模塊，最后級聯(lián)調(diào)試，利用 Altium Designer 10 軟件，對電路進行規(guī)則檢查。軟件方面用編程軟件 Keil，在檢查程序沒有語法錯誤后，生成 hex 文件，燒錄到單片機中。當用戶試圖打開一個鎖時，必須先通過提供的鍵盤輸入正確的密碼。當輸入密碼不正確時，將通過手機 APP 發(fā)生警報，并在 TFT 彩屏上顯示錯誤。下位機整體實物見圖 6。

4 結語

本文主要借助 STM32 和機智云設計了一款新型智能門鎖。此設計中主要采用 STM32 單片機為主控模塊，運用 AT24C02存儲芯片、ESP8266WiFi、TFT 彩屏、4×4 矩陣鍵盤、繼電器和電磁鎖等**電路。矩陣鍵盤作為輸入，任意 6 位數(shù)字作為密碼，用 C 語言編寫主控單元的控制程序和EEPROM 讀寫程序相結合， 設計出一款不僅擁有警報功能還可以用手機控制的智能門鎖系統(tǒng)。

增加了手機遠程控制的功能，利用無線傳輸功能，可將電子鎖與手機 APP 機智云進行連接，并在機智云上實時顯示是否處于正常的狀態(tài)和控制開、關鎖。其利用 ESP8266 無線傳輸模塊，通過云服務器將智能門鎖設計與手機 APP 進行連接，并在同一局域網(wǎng)下機智云通過一鍵配置實現(xiàn)互通，當機智云發(fā)出信號時將會傳輸?shù)?ESP8266 芯片，再通過芯片傳送至STM32 單片機，執(zhí)行相應的操作。

審核編輯 黃宇