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

    2023-11-25 02:19:52杲靖常森淏謝光前張建兵瞿世云曾祥峰
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2023年28期
    關(guān)鍵詞:門鎖語音服務(wù)器

    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。

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