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    基于物聯(lián)網(wǎng)的無線智能鎖設(shè)計與實現(xiàn)

    2019-10-21 17:12:09朱啟文
    中國電氣工程學(xué)報 2019年21期
    關(guān)鍵詞:實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

    朱啟文

    摘要:隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新,人們已不滿足于使用普通的家居,這使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷地滲透到人們的日常生活和工作中,促進了無線智能鎖的發(fā)展。計算機技術(shù)+物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)是無線智能鎖創(chuàng)造的基礎(chǔ),無線智能鎖的誕生為未來人們普遍使用智能化家居奠定了基礎(chǔ)。

    關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);無線智能鎖;設(shè)計;實現(xiàn)

    1物聯(lián)網(wǎng)概述

    物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò),將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)在任何時間、任何地點,人、機、物的互聯(lián)互通。早在1985年P(guān)ETERTL提出了這個概念。1995年比爾·蓋茨出版的《未來之路》一書中提及物互聯(lián)。1999年,在物品編碼技術(shù)上Auto-ID公司提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。2005-11-17,世界信息峰會上,國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告:物聯(lián)網(wǎng)》,預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨。

    2無線智能鎖系統(tǒng)架構(gòu)

    無線智能鎖系統(tǒng)主要是由電子鎖、智能化模組、通信系統(tǒng)、移動終端和云服務(wù)系統(tǒng)組成。云服務(wù)系統(tǒng)是智能門鎖的核心系統(tǒng),包括應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器和安全機制。云服務(wù)系統(tǒng)為智能門鎖和移動客戶端提供用戶權(quán)限管理、身份鑒別、數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)增值等服務(wù)。用戶通過云服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)對鎖的遠程控制、遠程視頻、遠程語音和遠程授權(quán)等,云服務(wù)系統(tǒng)對用戶操作進行鑒權(quán)、安全審計,并對鎖的狀態(tài)和報警信息進行監(jiān)控記錄。

    無線智能鎖通過多種通訊方式連接智能云端系統(tǒng)。一種方式是,智能門鎖通過ZigBee、BLE等低功耗通訊協(xié)議連接智能網(wǎng)關(guān),智能網(wǎng)關(guān)再連接WIFI進入Internet訪問云服務(wù)系統(tǒng)。另一種方式是,智能門鎖系統(tǒng)通過自帶的WIFI模塊連接云端,這種方式對電池容量有較高要求。最后一種方式是通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)4G/5G/NB-IOT接入互聯(lián)網(wǎng)訪問云服務(wù)器系統(tǒng)。智能化模組是智能門鎖系統(tǒng)中最能體現(xiàn)智能化的部分,用戶通過智能化模組可以直觀的感受智能門鎖的便利性和智能性。常用的智能化模組包括智能貓眼、人臉識別、虹膜識別、指紋識別、語音智能等。電子鎖主要包括機械鎖、嵌入式系統(tǒng)和集成模塊,這部分主要實現(xiàn)門鎖的機械功能。移動客戶端主要作用是方便用戶通過移動終端設(shè)備(如手機、PAD等)直接操控智能門鎖,例如:遠程開鎖、遠程語音視頻、開鎖記錄、臨時密碼授權(quán)等服務(wù)。無線智能鎖的使用場景如下:用戶使用移動終端App獲取開鎖憑據(jù),通過移動App,或者用戶輸入密碼,或者對用戶進行生物特征信息驗證后,從智能門鎖云服務(wù)系統(tǒng)獲取一個動態(tài)開鎖密鑰,或者是訪問鎖設(shè)備中安全存儲的開鎖鑰匙,并通過近場通訊協(xié)議與智能門鎖進行交互和驗證后,控制開鎖。無線智能鎖是一個由門鎖、網(wǎng)關(guān)、路由器、云平臺以及移動終端構(gòu)成的一個“生態(tài)”系統(tǒng)。該系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)漏洞,或者數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲與解析,都有可能對消費者帶來極大的人身和財產(chǎn)安全風(fēng)險。因此對智能門鎖系統(tǒng)開展信息安全研究迫在眉睫。

    3無線智能門鎖設(shè)計

    3.1電路設(shè)計

    3.2智能門鎖的程序設(shè)計

    利用手機開啟的智能門鎖系統(tǒng)中的程序部分實現(xiàn)的功能主要有:(1)把手機APP中輸入的密碼通過藍牙傳輸給單片機;(2)單片機對藍牙通信模塊接收到信息的處理;(3)手機端開鎖APP的設(shè)計。智能門鎖系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

    其中,對于手機和單片機的信息傳輸問題,需要預(yù)先設(shè)置通訊指令的具體傳輸格式,然后把指令的格式在手機端和單片機端的通信程序中編程實現(xiàn)。手機和智能門鎖的單片機之間的通信需要按照藍牙的通信協(xié)議要求進行設(shè)置,根據(jù)通信協(xié)議的要求,通信的字符串格式設(shè)定為:起始碼+本機地址+目標(biāo)地址+控制代碼+數(shù)據(jù)長度+結(jié)束碼+數(shù)據(jù)+結(jié)束位+結(jié)束碼,手機和單片機的通信數(shù)據(jù)按此格式進行編程。按照協(xié)議的要求,通信用的字符串設(shè)置如下:起始碼設(shè)為

    “W”;串口的公共地址設(shè)為“00”;本機的地址設(shè)置為“D1”;對與不同的設(shè)備需要設(shè)置不同的控制碼,在該系統(tǒng)中的控制代碼設(shè)置為“D”;由于只對門鎖進行開啟操作,數(shù)據(jù)有1位就夠用了,因此數(shù)據(jù)長度設(shè)為“01”;對于需要傳送的具體數(shù)據(jù)來說,開鎖設(shè)置為“1”,關(guān)鎖設(shè)置為“2”;數(shù)字鍵9為“9”,功能按鍵中的確認(rèn)鍵設(shè)置為“a”;字符串的結(jié)束位設(shè)置為“S”;而字符串的結(jié)束碼為“#”號;按此規(guī)則設(shè)置藍牙通信數(shù)據(jù)的格式,傳送數(shù)字“9”的字符串就設(shè)置為:W00D1D01S9#;而確認(rèn)鍵的指令設(shè)置為:W00D1D01Sa#。在按照通信協(xié)議對相關(guān)指令的字符串預(yù)設(shè)完成后,當(dāng)在手機APP上點擊任一按鈕后,手機就會向智能門鎖的藍牙模塊發(fā)送相應(yīng)的字符串;單片機會根據(jù)預(yù)設(shè)的通信協(xié)議對字符串進行解析和判讀,從解析后的數(shù)據(jù)中獲得地址、控制代碼和相應(yīng)的數(shù)據(jù),然后根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)采取對應(yīng)操作。

    4未來發(fā)展趨勢

    隨著5G技術(shù)開始商用,網(wǎng)絡(luò)速度不斷提升,給智能門鎖在通信、管理、數(shù)據(jù)同步等方面帶來直接的作用;人工智能等新技術(shù)的繁榮和發(fā)展也將為智能產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展思路和前景;云計算等內(nèi)容收集和存儲功能會賦予智能門鎖更加豐富的功能和作用。未來,智能門鎖如何接入智慧社區(qū)、智慧城市,如何納入更加廣闊的智慧生活行業(yè),形成相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將成為新的研究議題,并不斷推動該行業(yè)發(fā)展和進步。

    (1)互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖,是利用無線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過手機GSM通信、藍牙、WiFi等無線信號實現(xiàn)門鎖與手機或遙控的連接完成開鎖,一般支持iOS或Android手機系統(tǒng),甚至可以與智能手表配合使用。一般由終端設(shè)備、集中控制器、門鎖、無線充電的發(fā)射模塊等物理設(shè)備組成。互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)遠程、選客開門。即通過互聯(lián)網(wǎng)生成“虛擬鑰匙”,由用戶選擇特定的時間或人打開房門。當(dāng)門被開啟或關(guān)上時,互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖還會將信息及時反饋給用戶;當(dāng)有人試圖打開門鎖時,用戶可以實時獲得通知,確保家居安全。此外,互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖還會配合攝像頭使用,將安防做得更精細。當(dāng)然,互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖也有一定的弊端,如手機GSM通信的智能門鎖受網(wǎng)絡(luò)信號影響較大,而藍牙連接的智能門鎖則具有一定的距離限制,因此用戶在選擇時也需要辨別考慮。但據(jù)天貓平臺銷售數(shù)據(jù)顯示,目前智能門鎖銷售位居前50位的大都屬于互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖,因此其也具有一定的市場響應(yīng)度。

    (2)門禁卡類的智能門鎖是利用計算機技術(shù)、電子技術(shù)、精密電磁技術(shù)、智能卡技術(shù)來實現(xiàn)對用戶的身份識別,并控制機械門鎖的開合,常用的有磁卡、頻射卡等。其核心技術(shù)為電磁感應(yīng),即感應(yīng)器中的初級線圈,與感應(yīng)卡中的次級線圈靠近時,耦合產(chǎn)生電流,并通過電磁信號完成開門。由于此類智能鎖不需要與門鎖直接接觸,具有較高的安全系數(shù),且通常采用塑料材質(zhì),造價較低,因此擁有一定的市場保有量。

    5結(jié)語:隨著現(xiàn)代化快節(jié)奏的生活,人們出于便攜原因,使用虛擬鑰匙開啟各類智能鎖逐漸成為主流。因此,在以后的無線智能鎖升級版本中,可以采用模塊化方式添加更多的生物識別、搖一搖等方式,不斷提升人們的生活質(zhì)量。同時,也可豐富其功能變成智能社區(qū)管理平臺、智能公寓租賃平臺、物流傳輸管理平臺等。

    參考文獻:

    [1]房大偉,孫曉冬,馬青玉,等.基于PIC單片機的智能鎖芯設(shè)計[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版),2013,13(1):25-29.

    [2]鄢秋榮,馬耀中,柏歡,等.基于STM32單片機和移動通信模塊的門戶智能鎖網(wǎng)絡(luò)[J].實驗室研究與探索,2016,35(3):115-118.

    [3]黃喜軍,陳輝金,謝金桂.基于STM32的指紋密碼鎖設(shè)計[J].科技視界,2017,(1):213-213.

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