基于STM32的智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杲靖，常森淏，謝光前，張建兵，瞿世云，曾祥峰

（常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇常州 213032)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，人們出于對(duì)家庭和財(cái)產(chǎn)的安全考慮，對(duì)門鎖的安全需求也越來越高。然而隨著人們感覺到高科技便利的同時(shí)，也出現(xiàn)許多的不安全因素，傳統(tǒng)的機(jī)械門鎖存在一些固有的缺點(diǎn)，盡管在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了精心考慮，但機(jī)械鑰匙容易復(fù)制和丟失等問題時(shí)常發(fā)生。

為了解決這個(gè)問題，智能門鎖應(yīng)運(yùn)而生，為人們提供了有效將不法分子隔離在門外的解決方案。與傳統(tǒng)機(jī)械鎖相比，智能門鎖顯著提升了門鎖的安全性，為用戶提供更多的安全保障。而目前市面上的智能門鎖在遠(yuǎn)程解鎖、語音解鎖等方面仍然不夠完善，無法滿足生活中一些經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)用場景，例如：不方便用手解鎖、遠(yuǎn)程為訪客解鎖等。另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來,智能門鎖的網(wǎng)絡(luò)化趨勢越來越明顯,智能門鎖更需要保護(hù)用戶數(shù)據(jù)和安全服務(wù)，為此設(shè)計(jì)了一種更加智能、更加方便、更加安全的智能門鎖控制系統(tǒng)，這也是我們研究和設(shè)計(jì)此項(xiàng)目的主要原因和重點(diǎn)[1-4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示?；赟TM32 的智能門鎖控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組合而成。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由STM32 單片機(jī)核心板電路、指紋識(shí)別模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、ESP32語音模塊等組成；軟件系統(tǒng)由安卓App、數(shù)據(jù)庫、云端服務(wù)器等組成?？蚣芸傮w分為六大部分包括傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)記錄端、物聯(lián)網(wǎng)模塊、處理器和語音控制端。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 智能門鎖硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于STM32 的智能門鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括指紋識(shí)別模塊、射頻識(shí)別模塊、舵機(jī)模塊、蜂鳴器模塊、無線傳輸模塊、語音識(shí)別模塊、觸摸屏模塊、人體感應(yīng)模塊以及STM32F103低功耗系列單片機(jī)及其電路組成的電路。STM32 芯片通過USART 與無線傳輸模塊、指紋模塊、語音模塊進(jìn)行通信，通過GPIO接收人體感應(yīng)信號(hào)以及控制有源蜂鳴器和舵機(jī)模塊，通過SPI與射頻識(shí)別模塊通信，通過I2C與觸摸屏模塊進(jìn)行交互。

圖2 智能門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 STM32核心板設(shè)計(jì)

在整個(gè)硬件系統(tǒng)中,微處理器扮演著至關(guān)重要的角色。它對(duì)其他硬件設(shè)備的選擇具有重要的影響。相對(duì)于C51 單片機(jī)和Arduino，ARM 處理器的資源更加豐富，擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力和擴(kuò)展能力，可以滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求，同時(shí)其功耗也較低。

STM32 核心板實(shí)物如圖3 所示，智能門鎖采用STM32F103ZET6開發(fā)板作為主控板，其具有豐富的硬件資源，提供了足夠的存儲(chǔ)空間用于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以適用于需要較高性能和多種外部設(shè)備連接的應(yīng)用場景。該STM32芯片還包括多種類型定時(shí)器，這些定時(shí)器可以用于各種計(jì)時(shí)和定時(shí)任務(wù)的處理。

圖3 核心板實(shí)物圖

2.2 指紋模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用了LIENTEK 公司推出的ATK-AS608光學(xué)指紋識(shí)別模塊。這款模塊體積小、功耗低、接口簡單，同時(shí)還具備高可靠性、快速識(shí)別速度以及適應(yīng)干濕手指和快速指紋搜索的能力。該指紋識(shí)別模塊通過USART2與STM32主控芯片相連，實(shí)現(xiàn)了指紋的錄入和識(shí)別功能。

2.3 TFTLCD觸摸屏模塊設(shè)計(jì)

觸摸屏模塊可以根據(jù)主控的需要,讀取對(duì)應(yīng)數(shù)量的觸控信息。觸摸屏模塊用于用戶與STM32 主控芯片進(jìn)行交互，并可實(shí)現(xiàn)密碼開鎖、修改密碼和添加指紋等操作。

2.4 語音模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)智能門鎖在語音識(shí)別功能上有很大的不足，人為添加的擾動(dòng)表現(xiàn)在聲學(xué)特征上即為噪聲，并不影響人耳對(duì)于音頻內(nèi)容的獲取人的聲音[5]，不僅容易被模仿和錄制，且不同地區(qū)的用戶口音不同，語音識(shí)別難度大，傳統(tǒng)的聲紋語音解鎖模塊是一直處于開啟狀態(tài)耗電量較大。

針對(duì)傳統(tǒng)智能門鎖在語音解鎖上的不足，本系統(tǒng)采用通過Wi-Fi 連接到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能配網(wǎng)的設(shè)置[6]，通過MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,利用第三方平臺(tái)與“米家”進(jìn)行交互。通過“米家”的小愛同學(xué)，錄入用戶個(gè)人的聲紋信號(hào)特征參數(shù)存儲(chǔ)在庫中，同時(shí)設(shè)置好語音開鎖指令保存在語音助手中，當(dāng)語音助手識(shí)別到有人說話的語音信號(hào)后，語音助手進(jìn)行語音信號(hào)特征的參數(shù)對(duì)比，確認(rèn)是用戶本人后，提示用戶已經(jīng)喚醒語音助手，用戶接到提示后說出開鎖指令，語音助手用已經(jīng)保存的指令和用戶開鎖指令進(jìn)行語音數(shù)據(jù)對(duì)比，把對(duì)比成功或者失敗的指令回傳給ESP32，再讓ESP32通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32控制是否開鎖。

2.5 無線傳輸控制模塊設(shè)計(jì)

無線聯(lián)網(wǎng)模塊由ESP8266 NodeMCU 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，如圖4 無線傳輸控制系統(tǒng)框圖所示。STM32 主控芯片與ESP8266 板直接連接，ESP8266 板通過與MQTT服務(wù)器連接，再與手機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)無線傳輸控制功能。ESP8266板訂閱控制命令主題，接收遠(yuǎn)程控制指令，再通過串口將指令發(fā)送給主控芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制功能。

圖4 無線傳輸控制系統(tǒng)框圖

MQTT 協(xié)議作為一種傳輸消息的協(xié)議類型，是以主題訂閱模型和消息發(fā)布模型為基礎(chǔ)[7]。為了確保數(shù)據(jù)的安全傳輸，ESP8266 板與MQTT 服務(wù)器的通信采用TLS協(xié)議加密，該協(xié)議提供了對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的身份認(rèn)證、完整性驗(yàn)證以及機(jī)密性保護(hù)等功能[8]。一般情況下，TLS 協(xié)議認(rèn)證采用單向認(rèn)證，即客戶端會(huì)驗(yàn)證MQTT 服務(wù)器身份，MQTT 服務(wù)器不對(duì)客戶端進(jìn)行認(rèn)證。但是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅?，本系統(tǒng)的TLS 認(rèn)證采用雙向認(rèn)證，即MQTT 服務(wù)器和客戶端都會(huì)互相認(rèn)證，雙方之間要交換證書，這樣不僅能夠防止第三方對(duì)數(shù)據(jù)的竊聽，也能夠鑒別客戶端真?zhèn)涡?，同時(shí)還可以確保數(shù)據(jù)的完整性并避免數(shù)據(jù)被篡改。

3 智能門鎖軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面，軟件設(shè)計(jì)從智能門鎖功能出發(fā)，將功能模塊化，搭建層次化軟件架構(gòu)，最終將智能門鎖軟件設(shè)計(jì)分為三部分：App設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、服務(wù)器設(shè)計(jì)。MQTT 服務(wù)器連接“智能門鎖”App、后端服務(wù)器和STM32芯片，在App發(fā)送指令到STM32芯片執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作時(shí)，也會(huì)有相應(yīng)的記錄通過后端服務(wù)器存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)框圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

系統(tǒng)軟硬件如圖6 所示，為完成智能門鎖控制系統(tǒng)的建設(shè)，將各功能模塊與主控模塊進(jìn)行焊接，確保線路連接正常。經(jīng)過調(diào)試修改確認(rèn)無誤后，對(duì)智能門鎖的語音模塊和無線傳輸控制模塊等功能模塊進(jìn)行逐一測試，隨后對(duì)手機(jī)App 軟件進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明可有效進(jìn)行語音控制和遠(yuǎn)程控制，使得門鎖解鎖方式更加多樣，解鎖更加便捷。

圖6 系統(tǒng)軟硬件圖

最后進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果，驗(yàn)證了硬件和軟件方面方案的正確性和可行性。

5 結(jié)論

總體來說，這款基于STM32F103單片機(jī)開發(fā)的智能門鎖系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)智能門鎖存在的安全性低、價(jià)格高以及解鎖不夠便利等問題。該系統(tǒng)利用語音解鎖和遠(yuǎn)程解鎖功能，可有效解決不方便用手解鎖或者不方便為訪客解鎖的問題。同時(shí)，該系統(tǒng)還提供了一種基于TLS 雙向認(rèn)證的安全的MQTT 連接方法，增加了系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)高度完備且實(shí)用，明顯提升了開鎖的安全性和便捷性。在未來的研究與開發(fā)中，此類系統(tǒng)將繼續(xù)優(yōu)化，并適應(yīng)更多的使用環(huán)境和需求，為智能門鎖的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的可能性。