0 引言

    Android智能手機占領(lǐng)了大部分的手機市場^[1]，通信網(wǎng)絡(luò)的進步以及智能芯片在企業(yè)、人群和物體中的廣泛應(yīng)用，為“互聯(lián)網(wǎng)+”時代奠定了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)前人們生活中大都還是使用鑰匙開鎖，這樣出門時常要帶鑰匙，有時鑰匙丟了還要配上相應(yīng)的鑰匙，非常不方便。一些智能門禁系統(tǒng)主要是通過智能IC卡^[2，3]、指紋^[4]、光傳送密碼^[5]或生物特征來識別訪客的身份，不適用當(dāng)前人們普遍使用的家庭鎖。首先，讀卡機除能識別IC卡外，也可通過鍵盤輸入卡片內(nèi)置碼進行識別，這樣就無法確認是否為持卡者本人；其次，只認IC卡不認人的管理無法進行精確的身份辨認；再者，門禁系統(tǒng)的監(jiān)管無法追蹤進出人員的信息。傳統(tǒng)的安防門禁系統(tǒng)急需互聯(lián)網(wǎng)智能化改革，實現(xiàn)在線化、數(shù)據(jù)化。

    本系統(tǒng)通過藍牙和WiFi模塊將門鎖、手機、服務(wù)器三者聯(lián)接起來，賦予了鎖“聽”“說”的交流能力，提出了一種新的智能鎖設(shè)計模式。手機用戶通過藍牙發(fā)送指令控制開鎖和關(guān)鎖，為了更安全起見，開鎖時攝像頭會拍一張現(xiàn)場的照片。通過WiFi將開鎖用戶信息和照片發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)同步到家人的手機上，這樣家人在手機上可以知道家中鎖的狀態(tài)及開鎖人的體型甚至容貌，從而可以實時了解家中的狀況，若發(fā)覺情況不正?？杉皶r找附近的鄰居查看，甚至報警。

1 平臺

1.1 開發(fā)實現(xiàn)平臺

    (1)移動終端:adt-bundle-eclipse+ADK18以上。

    (2)服務(wù)器端：Linux(Ubuntu 14 LTS) Qt5.2。

    (3)門禁硬件：Windows 7，Keil。

1.2 系統(tǒng)運行平臺

    (1)移動終端： 支持Android 4.3以上的移動終端。

    (2)服務(wù)器端：服務(wù)器Linux(Ubuntu 14 LTS)。

    (3)STM32F103RBT6。

2 系統(tǒng)功能

2.1 整體框架

    采用HTML5的WebSocket協(xié)議通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能手機終端與云端服務(wù)器端相聯(lián)；門禁鎖通過WiFi模塊與云端服務(wù)器端通過TCP相互通信；智能手機端通過低功耗的Bluetooth與門禁鎖近距離通信，從而實現(xiàn)門禁鎖、服務(wù)器、智能終端兩兩循環(huán)互聯(lián)，如圖1所示。

2.2 初始化鎖

    打開智能手機App掃描鎖上的二維碼完成初始化，每一把智能鎖都對應(yīng)唯一的二維碼，二維碼中包含了智能鎖硬件中的藍牙和iBeacon的信息。這樣裝有該智能鎖的用戶只能開關(guān)自家的鎖，初始化二維碼如圖2所示。

2.3 添加和刪除用戶

    為了安全起見，該系統(tǒng)添加用戶是由智能手機App和智能鎖共同完成的。手機發(fā)送添加用戶命令，只有按下智能鎖上的添加用戶按鈕才可完成添加。添加的用戶同步到服務(wù)器上。刪除用戶同理。

2.4 開鎖及指令執(zhí)行流程

    家庭用戶開鎖流程如圖3所示。

    門禁硬件接收到手機App發(fā)送的藍牙指令后的流程圖如圖4。服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后保存到數(shù)據(jù)庫，同時信息同步到手機App上。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 門鎖硬件實現(xiàn)

    整個門禁硬件框圖如圖5所示。

3.1.1 主控芯片

    STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器，還包含了3個標準的USART通信接口。

3.1.2 藍牙模塊

    該藍牙主控芯片采用TI公司研發(fā)的符合藍牙4.0標準的高性價比、低功耗的單模芯片CC2540^[6]。藍牙是通過串口通信，AT指令可以配置藍牙，如AT+RESET可復(fù)位藍牙，AT+BAUD=x，y配置藍牙工作的波特率等。

3.1.3 TLN13UA06 WiFi模塊

    (1)該模塊支持多種無線網(wǎng)絡(luò)加密方式，能充分保證用戶數(shù)據(jù)的安全傳輸，包括：WEP64、WEP128、WPA-PSK/TKIP、WPA-PSK/CCMP、WPA2-PSK/TKIP、WPA2-PSK/CCMP。

    (2)本模塊作為STA時，支持在聯(lián)網(wǎng)過程中綁定目的網(wǎng)絡(luò)BSSID地址（即MAC地址）的功能。通過BSSID地址綁定的方式，可以防止STA接入到非法的網(wǎng)絡(luò)，從而提高無線網(wǎng)絡(luò)的安全性。還有一種更安全的檢測方法，通過檢測距離來判斷是否為非法入侵^[7]。

    (3)該模塊內(nèi)置一個完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP/UDP/ICMP/ARP/DHCP/DNS/HTTP協(xié)議，支持基于AT+指令的SOCKET編程接口。

3.1.4 液晶顯示模塊

    OLED液晶顯示模塊大小0.96寸，支持流行的I2C和SPI接口通信,易于操作，占用空間小。

3.1.5 步進電機驅(qū)動芯片

    驅(qū)動芯片ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7個硅 NPN 達林頓管組成。該電路的特點如下：

    (1)ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7 k?贅的基極電阻，在5 V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。

    (2)ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

3.1.6 攝像頭模塊

    采用現(xiàn)有的DSP+攝像頭模塊，結(jié)構(gòu)如圖6所示，UART可以接STM32的USART接口實現(xiàn)串口發(fā)送指令控制拍照等功能。

3.2 智能手機App功能實現(xiàn)

3.2.1 “功能切換”

    有3個功能切換：距離開關(guān)、聲音開關(guān)、方向開關(guān)，3個功能只能一個打開，用于設(shè)置當(dāng)前開鎖的控制模式。

    (1)打開距離開關(guān)時，只能通過Androids Service后臺監(jiān)聽iBeacon發(fā)出的距離廣播，當(dāng)距離數(shù)值達到2 m以內(nèi)，向門禁硬件發(fā)送開鎖指令。當(dāng)用戶攜帶智能手機靠近家門時，智能手機將搜索門鎖距離，達到初始設(shè)定距離后自動與門禁系統(tǒng)通信，進行用戶身份密碼識別，若驗證成功，門鎖自動打開。用戶無需拿出手機，無需任何操作，完全智能化。

    (2)打開聲音開關(guān)時，當(dāng)前如果智能手機與門禁硬件控制器的藍牙保持連接，當(dāng)Android近距離感應(yīng)Proximity檢測到近距離，就啟動語音識別麥克風(fēng)監(jiān)聽用戶說話，當(dāng)識別到用戶有說到開門的意思，就給門禁硬件控制器發(fā)送開門指令。

    (3)打開方向開關(guān)時，關(guān)閉距離感應(yīng)開關(guān)和聲音識別開關(guān)，如果藍牙保持連接，就啟動陀螺儀，如圖7，方向監(jiān)聽用戶手機方向，當(dāng)監(jiān)聽到智能手機方向與預(yù)設(shè)方向一致，就給門禁硬件發(fā)送開門指令。待到門禁硬件控制器驗證用戶成功之后，門鎖自動打開。

3.2.2 方向置定

    每一用戶可以設(shè)置預(yù)設(shè)一個方向，打開“方向開關(guān)”時，聽到的方向與預(yù)設(shè)向一致，就發(fā)送開鎖命令，待到門禁硬件進行用戶驗證，成功之后，就能自動開鎖。

3.2.3 發(fā)現(xiàn)界面

    只要門禁控制器檢測到門禁的狀態(tài)變化，就會向服務(wù)器推送狀態(tài)數(shù)據(jù)，云端服務(wù)器會實時地向用戶推送門禁系統(tǒng)狀態(tài)信息，從而用戶就可以實時的監(jiān)控家里的門禁系統(tǒng)，便知道誰、何時對門禁鎖做何種動作，通知用戶家中門禁狀況，保證家中財產(chǎn)安全。

3.2.4 APP后臺程序

    APP后臺Service如圖8所示。APP最主要的邏輯基本都在后臺Service中運行，從而使用戶實現(xiàn)新體驗，即方便、快捷的開鎖方式。

4 結(jié)論

    本文通過藍牙和WiFi傳輸技術(shù)實現(xiàn)了智能手機、門禁、服務(wù)器三者的兩兩互聯(lián)，用戶可以通過智能手機靈活地控制開關(guān)鎖，減少了用戶開鎖的復(fù)雜過程，給用戶帶來新的體驗。同時，該系統(tǒng)設(shè)計了二維碼和監(jiān)控部分，使得與傳統(tǒng)的開鎖方式相比更加便捷和安全。

參考文獻

[1] GARTNER A.Market share analysis：Mobile phones，world-wide，4Q13 and2013[EB/OL].(2014-02)[2016-05].http：//www.gartner.com/doc/2665319.

[2] 孫志鋒，沈義民.賓館酒店IC卡智能電子門鎖系統(tǒng)的研制[J].計算機工程與應(yīng)用，2000，36(9)：160-162.

[3] 孫炳陽.基于CAN總線的非接觸式IC卡門禁與巡更監(jiān)察系統(tǒng)[J].計算機工程與應(yīng)用，2002，38(19)：243-245.

[4] 李鵬飛，許照烜.基于.NET的網(wǎng)絡(luò)指紋門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2006(12)：3571-3573.

[5] 鄧健志，程小輝，李廣君.可見光控門禁的研制[J].光電子：激光，2014(3)：454-459.

[6] 金純，賈珍梅，劉魯云，等.基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設(shè)計[J].電視技術(shù)，2015，39(1)：60-64.

[7] 房鼎益，祁生德，湯戰(zhàn)勇，等.一種基于RSSI的智能家居環(huán)境Evil-Twin攻擊的檢測方法[J/OL].計算機學(xué)報，2016(39).[2016-03-10].http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1826.tp.20160310.1949.006.html.

作者信息:

朱航江，潘振福，朱永利

（華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定071000）