0 引言

    Android智能手機(jī)占領(lǐng)了大部分的手機(jī)市場(chǎng)^[1]，通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)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(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前人們生活中大都還是使用鑰匙開(kāi)鎖，這樣出門(mén)時(shí)常要帶鑰匙，有時(shí)鑰匙丟了還要配上相應(yīng)的鑰匙，非常不方便。一些智能門(mén)禁系統(tǒng)主要是通過(guò)智能IC卡^[2，3]、指紋^[4]、光傳送密碼^[5]或生物特征來(lái)識(shí)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(jī)除能識(shí)別IC卡外，也可通過(guò)鍵盤(pán)輸入卡片內(nèi)置碼進(jìn)行識(shí)別，這樣就無(wú)法確認(rèn)是否為持卡者本人；其次，只認(rèn)IC卡不認(rèn)人的管理無(wú)法進(jìn)行精確的身份辨認(rèn)；再者，門(mén)禁系統(tǒng)的監(jiān)管無(wú)法追蹤進(jìn)出人員的信息。傳統(tǒng)的安防門(mén)禁系統(tǒng)急需互聯(lián)網(wǎng)智能化改革，實(shí)現(xiàn)在線化、數(shù)據(jù)化。

    本系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙和WiFi模塊將門(mén)鎖、手機(jī)、服務(wù)器三者聯(lián)接起來(lái)，賦予了鎖“聽(tīng)”“說(shuō)”的交流能力，提出了一種新的智能鎖設(shè)計(jì)模式。手機(jī)用戶通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送指令控制開(kāi)鎖和關(guān)鎖，為了更安全起見(jiàn)，開(kāi)鎖時(shí)攝像頭會(huì)拍一張現(xiàn)場(chǎng)的照片。通過(guò)WiFi將開(kāi)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(jī)上，這樣家人在手機(jī)上可以知道家中鎖的狀態(tài)及開(kāi)鎖人的體型甚至容貌，從而可以實(shí)時(shí)了解家中的狀況，若發(fā)覺(jué)情況不正常可及時(shí)找附近的鄰居查看，甚至報(bào)警。

1 平臺(tái)

1.1 開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

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

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

    (3)門(mén)禁硬件：Windows 7，Keil。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)

    (1)移動(dòng)終端： 支持Android 4.3以上的移動(dòng)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)終端與云端服務(wù)器端相聯(lián)；門(mén)禁鎖通過(guò)WiFi模塊與云端服務(wù)器端通過(guò)TCP相互通信；智能手機(jī)端通過(guò)低功耗的Bluetooth與門(mén)禁鎖近距離通信，從而實(shí)現(xiàn)門(mén)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(kāi)智能手機(jī)App掃描鎖上的二維碼完成初始化，每一把智能鎖都對(duì)應(yīng)唯一的二維碼，二維碼中包含了智能鎖硬件中的藍(lán)牙和iBeacon的信息。這樣裝有該智能鎖的用戶只能開(kāi)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(jiàn)，該系統(tǒng)添加用戶是由智能手機(jī)App和智能鎖共同完成的。手機(jī)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(kāi)鎖及指令執(zhí)行流程

    家庭用戶開(kāi)鎖流程如圖3所示。

    門(mén)禁硬件接收到手機(jī)App發(fā)送的藍(lán)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(kù)，同時(shí)信息同步到手機(jī)App上。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 門(mén)鎖硬件實(shí)現(xiàn)

    整個(gè)門(mén)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(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器，還包含了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USART通信接口。

3.1.2 藍(lán)牙模塊

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

3.1.3 TLN13UA06 WiFi模塊

    (1)該模塊支持多種無(wú)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(shí)，支持在聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中綁定目的網(wǎng)絡(luò)BSSID地址（即MAC地址）的功能。通過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全性。還有一種更安全的檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)距離來(lái)判斷是否為非法入侵^[7]。

    (3)該模塊內(nèi)置一個(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

    驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。該電路的特點(diǎn)如下：

    (1)ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。

    (2)ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(shí)現(xiàn)串口發(fā)送指令控制拍照等功能。

3.2 智能手機(jī)App功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 “功能切換”

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

    (1)打開(kāi)距離開(kāi)關(guān)時(shí)，只能通過(guò)Androids Service后臺(tái)監(jiān)聽(tīng)iBeacon發(fā)出的距離廣播，當(dāng)距離數(shù)值達(dá)到2 m以內(nèi)，向門(mén)禁硬件發(fā)送開(kāi)鎖指令。當(dāng)用戶攜帶智能手機(jī)靠近家門(mén)時(shí)，智能手機(jī)將搜索門(mén)鎖距離，達(dá)到初始設(shè)定距離后自動(dòng)與門(mén)禁系統(tǒng)通信，進(jìn)行用戶身份密碼識(shí)別，若驗(yàn)證成功，門(mén)鎖自動(dòng)打開(kāi)。用戶無(wú)需拿出手機(jī)，無(wú)需任何操作，完全智能化。

    (2)打開(kāi)聲音開(kāi)關(guān)時(shí)，當(dāng)前如果智能手機(jī)與門(mén)禁硬件控制器的藍(lán)牙保持連接，當(dāng)Android近距離感應(yīng)Proximity檢測(cè)到近距離，就啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別麥克風(fēng)監(jiān)聽(tīng)用戶說(shuō)話，當(dāng)識(shí)別到用戶有說(shuō)到開(kāi)門(mén)的意思，就給門(mén)禁硬件控制器發(fā)送開(kāi)門(mén)指令。

    (3)打開(kāi)方向開(kāi)關(guān)時(shí)，關(guān)閉距離感應(yīng)開(kāi)關(guān)和聲音識(shí)別開(kāi)關(guān)，如果藍(lán)牙保持連接，就啟動(dòng)陀螺儀，如圖7，方向監(jiān)聽(tīng)用戶手機(jī)方向，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到智能手機(jī)方向與預(yù)設(shè)方向一致，就給門(mén)禁硬件發(fā)送開(kāi)門(mén)指令。待到門(mén)禁硬件控制器驗(yàn)證用戶成功之后，門(mén)鎖自動(dòng)打開(kāi)。

3.2.2 方向置定

    每一用戶可以設(shè)置預(yù)設(shè)一個(gè)方向，打開(kāi)“方向開(kāi)關(guān)”時(shí)，聽(tīng)到的方向與預(yù)設(shè)向一致，就發(fā)送開(kāi)鎖命令，待到門(mén)禁硬件進(jìn)行用戶驗(yàn)證，成功之后，就能自動(dòng)開(kāi)鎖。

3.2.3 發(fā)現(xiàn)界面

    只要門(mén)禁控制器檢測(cè)到門(mén)禁的狀態(tài)變化，就會(huì)向服務(wù)器推送狀態(tài)數(shù)據(jù)，云端服務(wù)器會(huì)實(shí)時(shí)地向用戶推送門(mén)禁系統(tǒng)狀態(tài)信息，從而用戶就可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控家里的門(mén)禁系統(tǒng)，便知道誰(shuí)、何時(shí)對(duì)門(mén)禁鎖做何種動(dòng)作，通知用戶家中門(mén)禁狀況，保證家中財(cái)產(chǎn)安全。

3.2.4 APP后臺(tái)程序

    APP后臺(tái)Service如圖8所示。APP最主要的邏輯基本都在后臺(tái)Service中運(yùn)行，從而使用戶實(shí)現(xiàn)新體驗(yàn)，即方便、快捷的開(kāi)鎖方式。

4 結(jié)論

    本文通過(guò)藍(lán)牙和WiFi傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)、門(mén)禁、服務(wù)器三者的兩兩互聯(lián)，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)靈活地控制開(kāi)關(guān)鎖，減少了用戶開(kāi)鎖的復(fù)雜過(guò)程，給用戶帶來(lái)新的體驗(yàn)。同時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二維碼和監(jiān)控部分，使得與傳統(tǒng)的開(kāi)鎖方式相比更加便捷和安全。

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作者信息:

朱航江，潘振福，朱永利

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