基于STM32的新型智能防盜門

張洋，劉建粉

（平頂山學(xué)院，河南平頂山 467000）

近年以來，我國的科技飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人民對居家的安全性有了更高的需求，為了改善生活質(zhì)量，提高人民的居家便捷及安全，提出了新型智能防盜門的設(shè)計。目前市場上普遍使用的傳統(tǒng)防盜門安全性低、開鎖繁瑣且效率低下，社會上也逐漸出現(xiàn)各種盜竊事件，傳統(tǒng)防盜門的安全性引起了人們的擔(dān)憂。而文中將指紋檢測、RFID 射頻技術(shù)和藍(lán)牙控制、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，大大提高了智能防盜門的安全性和實用性，傳統(tǒng)的門鎖也將逐漸被淘汰，由新一代的智能防盜門所取代[1]。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

伴隨著技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，人們在生活中對家庭安全的需求越來越高。為了滿足人們的需求，家庭防盜門的安全化和智能化需要進一步提高，傳統(tǒng)的防盜門已無法滿足當(dāng)今人們的需求。文中設(shè)計的智能防盜門普遍應(yīng)用于智能家居生活中，集安全性和智能化于一身。符合當(dāng)今人們渴望智能化生活的需求，具有一定的實用性。

1.2 總體設(shè)計思路

傳統(tǒng)的防盜門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、開鎖方式多、方便快捷、解密方式可調(diào)等優(yōu)勢，滿足了人們對防盜門更高的需求。將移動互聯(lián)網(wǎng)與無線通信結(jié)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STM32 單片機優(yōu)異的實時性能、完整的生態(tài)鏈、強大的編程和控制能力[2]，結(jié)合藍(lán)牙模塊、OLED 顯示屏、AS608 光學(xué)指紋模塊、NB-IoT和RFID 讀寫器等外圍電路構(gòu)建智能防盜門管理體系，設(shè)計了一種以STM32為主控制器的智能防盜門系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上增加了夜間感應(yīng)開燈部分，方便用戶在接近防盜門前時可以智能的開燈，且兼?zhèn)淞斯?jié)能環(huán)保。

1.3 功能介紹

1）感應(yīng)開燈：在夜間，當(dāng)用戶接近智能防盜門時，防盜門的照明系統(tǒng)打開，方便用戶在防盜門前進行開鎖等相關(guān)行為。

2）刷卡開門:通過在智能防盜門安裝RFID 讀寫器，當(dāng)攜帶裝有RFID 電子標(biāo)簽接近智能防盜門時，讀卡器檢測人員攜帶的卡片具備什么權(quán)限，當(dāng)卡片具備開鎖的權(quán)限時，用戶可以打開智能防盜門。否則將提示不具備開鎖的權(quán)限。

3）手機APP 開門：通過在智能防盜門上安裝一片設(shè)定好信息的NFC 標(biāo)簽，當(dāng)用戶將手機接近這片NFC 標(biāo)簽時，手機上安裝的智能防盜門APP 將自行打開，通過藍(lán)牙配對連接進行開鎖。

4）指紋解鎖開門：利用安裝光學(xué)指紋傳感器達(dá)到開門的目的，通過對指紋識別模塊上的指紋進行檢測，當(dāng)檢測到是提前錄入的指紋用戶時，智能防盜門可以進行開鎖。

5）安全警報及信息上傳：當(dāng)有人試圖強制開門或者輸入密碼錯誤達(dá)到一定次數(shù)時，門鎖會發(fā)出警報，并且通過NB-IoT 上傳到云平臺上。

6）OLED 屏顯示：在開鎖的過程中，OLED 顯示屏對人員的操作進行實時顯示。

1.4 功能設(shè)計

夜間感應(yīng)開燈部分功能架構(gòu)示意圖如圖1所示。安全開鎖部分功能架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 夜間感應(yīng)開燈部分功能架構(gòu)示意圖

圖2 安全開鎖部分功能架構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計

該文將從整體硬件設(shè)計和各個模塊的選型功能等方面對智能防盜門的硬件部分進行設(shè)計和分析。

2.1 硬件總體設(shè)計

文中通過將AS608 指紋識別模塊、矩形鍵盤、RFID 讀寫器、光照強度傳感器和紅外傳感器與MCU相連接，進行數(shù)據(jù)讀取。將NFC 電子標(biāo)簽放置在智能防盜門上，實現(xiàn)對手機的控制。把LED 燈、蜂鳴器與MCU 相連，實現(xiàn)執(zhí)行器的相關(guān)操作。使用IIC 傳輸方式，通過MCU 控制OLED 顯示屏，將電子鎖與繼電器相連，再把繼電器與MCU 相連，從而實現(xiàn)小電壓控制大電壓的操作。最后將HC-06 藍(lán)牙模塊和BC20 模塊與MCU 通過不同串口引腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件選型及介紹

該設(shè)計實現(xiàn)的硬件包括3×3 矩形鍵盤、RC522近場通信模塊、HC-06 藍(lán)牙模塊、AS608 指紋識別模塊、紅外測距傳感器、OLED 顯示屏、電磁鎖、LED 燈、繼電器、光照強度傳感器、BC20 無線通信模塊、蜂鳴器。對部分模塊的詳細(xì)介紹如下。

2.2.1 AS608指紋識別模塊

AS608 是光學(xué)指紋識別模塊，它利用光的折射和反射原理，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗會不一樣。CMOS 或者CCD的光學(xué)器件會收集到不同明暗程度的圖片信息，即完成指紋的采集[3]。

2.2.2 RC522近場通信模塊

RC522 近場通信模塊是一種短距離的高頻無線通信技術(shù)，是一款高度集成的讀/寫卡芯片，具有低電壓、低成本和尺寸小的特點[4]，允許電子設(shè)備之間進行非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳輸，在10 cm 內(nèi)交換數(shù)據(jù)。它與主機間的通信采用連線較少的串行通信，該設(shè)計采用SPI 通信方式，有利于減少連線，縮小PCB 板體積，降低成本，滿足智能防盜門的設(shè)計需求。

2.2.3 HC-06藍(lán)牙模塊

HC-06 是目前市面上很常用的串口藍(lán)牙模塊，其模塊采用Blue2.0、支持主從模式、支持軟/硬件設(shè)置主從模式。具備功耗低、信號強、性能穩(wěn)定、通訊距離遠(yuǎn)、成本低、使用靈活、尺寸小的優(yōu)點，滿足智能防盜門的使用需求。使用AT 指令可以對HC-06 藍(lán)牙模塊進行相應(yīng)的初始化工作[5]。

2.2.4 OLED顯示屏

該設(shè)計顯示模塊選用的是IIC 接口的OLED 顯示屏，OLED 是有極發(fā)光二極管，又稱為有機電激光顯示,具有自發(fā)光的特性。OLED 顯示屏相比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應(yīng)快、清晰度高、柔性好、發(fā)光效率高。OLED 是“自發(fā)光”二極管，像素本身就是光源，所以對比度極高，顯示效果良好。具備可視角度大、功耗低、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣[6]、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，非常適合安裝在智能防盜門上。

2.2.5 紅外測距傳感器

該設(shè)計中采用GP2Y0A21YK0F 紅外測距傳感器，由PSD(Position-Sensitive Detector)集成組合IRED(Infrared Red Emitting Diode)和信號處理電路構(gòu)成[7]。由于采用的是三角測量方式，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時間都不會影響這款傳感器的準(zhǔn)確性。GP2Y0A21YK0F 傳感器的信號輸出類型是模擬電壓信號，GP2Y0A21YK0F 傳回的模擬電壓被量化為1 024個單位，對應(yīng)著不同檢測距離[8]。因為智能防盜門使用的是STM32單片機，而STM32單片機內(nèi)部本身具備ADC 轉(zhuǎn)換器，所以不必額外擴展專門的ADC轉(zhuǎn)換電路，只需將傳感器與STM32 單片機具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的I/O 口直接連接就可以了。為紅外測距傳感器設(shè)定一個閾值，當(dāng)檢測到智能防盜門前有人接近并且檢測到是黑暗（通過光敏電阻實現(xiàn)）的情況下，STM32單片機控制LED燈打開，從而實現(xiàn)感應(yīng)開燈的效果，滿足智能防盜門檢測夜間感應(yīng)開燈的需求。

2.2.6 BC20無線通信模塊

BC20 是一款高性能、低功耗、多頻段的NB-IoT無線通信模塊。BC20 提供豐富的外部接口和協(xié)議棧，同時支持中國移動OneNET、中國電信IoT 以及阿里云IoT 等物聯(lián)網(wǎng)云平臺，為產(chǎn)品的應(yīng)用提供極大的便利。該設(shè)計之所以使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是因為智能防盜門并不要求高頻率數(shù)據(jù)傳輸，但需要滿足低功耗和穩(wěn)定性，相比于ZigBee、WiFi、RFID 技術(shù)，NB-IoT無線傳輸技術(shù)具有更低的功耗和更廣的覆蓋范圍，適用于大范圍的組網(wǎng)場合[9]，所以選用NB-IoT 傳輸數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

程序的設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 程序設(shè)計流程

3.1 APP解鎖

文中使用藍(lán)牙模塊通過串口傳輸實現(xiàn)的，通過手機使用APP，搜索藍(lán)牙輸入密碼進行配對，通過在手機端發(fā)送指令，藍(lán)牙模塊將信息接收到串口[10]，然后進行該指令的相關(guān)操作。在智能防盜門上安裝一片NFC 電子標(biāo)簽，并且將智能防盜門的APP 啟動文件存放進NFC 電子標(biāo)簽中[11]，當(dāng)手機接近NFC 電子標(biāo)簽時，用戶手機上的NFC 電子標(biāo)簽將會自動打開智能防盜門的APP。智能防盜門手機控制端如圖5所示。

圖5 智能防盜門手機控制端

3.2 指紋開鎖

指紋開鎖部分主要實現(xiàn)錄入指紋、驗證指紋、使用USMART 讀取和修改模塊參數(shù)等功能[12]。首先在相關(guān)文件里寫入指令格式，寫入一些底層函數(shù)存放在工程中，然后進行調(diào)用[13]，進行AS608 指紋模塊的初始化、建立人員指紋庫、通信協(xié)議等配置。然后等待主控芯片與模塊建立通信后進入，通過檢測WAK引腳檢測是否手指有人員將手指按下,并采集指紋的特征值,與指紋庫中存放的指紋進行對比,當(dāng)檢測到是指紋庫中人員時，將進行開鎖[14]。實現(xiàn)指紋的錄入、讀取和刪除。刷指紋流程如圖6 所示。

圖6 刷指紋程序流程

3.3 刷卡開門

刷卡開門運用了RFID 卡的讀取和寫入[15]，具體軟件實現(xiàn)流程:首先進行尋卡操作，當(dāng)讀卡器檢測到卡片時進行防沖突操作，進而選定卡片，選擇卡片后，進行校驗密碼（卡片密碼位于每一扇區(qū)第3 塊），然后就可通過選定地址進行讀卡或者寫卡操作。設(shè)置一個變量，存放卡片的數(shù)據(jù)，當(dāng)卡片某個扇區(qū)某個塊中的數(shù)據(jù)和這個變量相同時，代表可以進行相關(guān)操作。

部分重要代碼如下：

3.4 OLED屏顯示流程

OLED 屏實時顯示智能防盜門操作的流程為：將需要使用的漢字通過取模軟件來取模，將產(chǎn)生的數(shù)組進行存儲。通過設(shè)置顯示屏顯示的行起始地址、設(shè)置低列起始地址、設(shè)置高列起始地址實現(xiàn)更新顯存的操作。將每一次操作后需要顯示的內(nèi)容存放在函數(shù)中，通過每次對這些內(nèi)容進行更新顯存[16]，進而實現(xiàn)實時顯示操作。將常用的顯示語句取模存放進程序中，當(dāng)人員進行響應(yīng)的操作時，顯示屏顯示響應(yīng)語句。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計通過將嵌入式開發(fā)技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、指紋識別、窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、無線射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)等相融合，使用STM32 為主控板，制作一個兼具智能性和實用性的智能防盜門。解決了目前防盜門普遍存在的安全性低、開鎖麻煩、效率低下的問題，從而為用戶帶來全新的智能防盜門使用體驗。