基于物联网技术的新型智能门锁设计与实现

徐富强+卢闻州+熊化亮+孙英伦+杨欢+屈笑

摘 要：新型智能门锁集蓝牙、密码于一体，实现了通过智能手机控制智能门锁的同时还可以通过密码实现开锁的功能。此外，智能门锁还添加了短信通知模块和报警装置，用于提高智能门锁的设计。文中介绍了新型智能门锁的设计思路，部分硬件电路的设计，并对软件功能设计和流程设计进行介绍。经实践证明，该智能门锁安全可靠，成本较低。

关键词：蓝牙HC-06模块；密码；SIM900A模块；智能手机

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）08-00-04

0 引 言

随着社会、科学和技术的进步，人们的安全防盗意识在逐渐增强，对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高，传统的机械锁由于其构造简单，安全性能低，已经无法满足人们对智能家居的需求。通过调查发现，智能锁具在市场中销售较多，但销量不大，中国的智能锁具市场目前还处于初级阶段[1]。因此，文中设计了一款基于蓝牙4.0技术[2]的新型智能门锁，并结合密码锁模块及GSM移动通信模块，大大提高了门锁的安全性、可靠性以及便捷性，同时在很大程度上降低了门锁的经济成本，满足了人们对于智能门锁的要求。

1 设计原理

基于物联网技术的新型智能门锁以STC89C52单片机为控制核心，软硬件相结合。该智能门锁主要由单片机控制电路、蓝牙HC-06模块电路、SIM900A模块电路以及密码输入电路以及电磁锁5部分组成，组成原理如图1所示。通过蓝牙HC-06模块或密码输入模块进行信息采集，将采集到的信息发送给单片机。单片机进行信息处理后，改变电磁锁接口电路电平，实现门锁开关。电磁锁打开的同时，SIM900A模块的接口电路变为低电平，SIM900A模块向用户手机发送短信，提醒用户门锁已打开。

2 硬件组成及工作原理

2.1 蓝牙解锁模块

本设计采用高性能无线收发系统HC-06蓝牙模块，实现对手机发送信息的采集。解锁电路如图2所示。蓝牙解锁模块电路主要由单片机控制电路、电磁继电器电路、蓝牙HC-06模块及其外围电路组成。HC-06作为主通信端，与用户手机蓝牙进行一对一连接。

通过操作手机App实现对手机蓝牙的控制，将信息传送给HC-06模块。HC-06将采集的信息通过TXD引脚输出，传输到单片机的P3.0口[3]。单片机读取信息并进行数据处理。

2.2 密码解锁模块

密码解锁电路用于实现设置、修改用户密码、超次报警、超次锁定、密码错误报警等功能。本设计由单片机、4×4矩阵键盘、LCD1602显示器和报警电路组成[4]，采用以74LS112双JK触发器构成的数字路基电路作为密码锁的控制核心。密码锁模块电路如图3所示。在使用过程中，用户通过矩阵键盘输入密码后，单片机会将用户输入的密码与其事先保存的密码进行比对，若一致，则密码正确，单片机的控制引脚输出低电平，继电器吸合，门锁打开；若不一致，则控制引脚输出高电平，报警电路工作，蜂鸣器发出报警声[5]。若用户在输入密码的过程中按下干扰键，则键盘电路会自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入密码。如果用户输入密码超过一定时间，电路将报警。若电路连续报警3次，键盘将会锁定2分钟，以防止其他人非法操作[6]。

2.3 SIM900A模块

SIM900A模块电路用于实现门锁打开时向用户手机发送信息提示，即门锁已打开，用于提高智能门锁的安全性，其電路如图4所示。本设计采用具有语音通话和短信发送功能的全球鹰SIM900A模块，支持移动和联通SIM卡，其采用省电设计，睡眠模式下最低耗流只有1 mA。将SIM卡放入卡槽，接GSM天线。通过观察SIM900A模块上两个指示灯D5和D6的工作状态来大致判断模块的工作状态。当D5长亮，D6亮1 s灭3 s则表明SIM900A 模块进入正常模式。此时，若门锁上的单片机读取到蓝牙HC-06模块传输的信息或密码解锁部分输入的信息，则单片机进行信息处理，使电磁锁接口电路输出引脚变为低电平，继电器闭合，门锁打开，同时单片机开始发送指令到SIM900A模块，然后SIM900A模块会发送短信到事先设置的用户智能手机上。

2.4 系统电源设计

由于STC89C51、蓝牙4.0 继电器、短信发送模块、液晶显示屏的工作电压都为5 V，因此可借助USB数据线将电压转换为5 V的工作电压为智能锁系统供电。

2.5 液晶显示器

本设计采用LCD1602A液晶显示器，用以显示用户输入的密码是否正确及显示行密码设置、修改等。该显示器能够同时显示16×02，即32个字符。

2.6 单片机控制电路

单片机主控电路由STC89C51芯片、复位电路、时钟电路等组成，用于实现对信息的采集和处理，完成对电磁继电器的控制，实现门锁的开关，并控制GSM模块进行短信发送[7]。时钟电路采用11.059 2 MHz的无源晶体振荡器，并在其两端并联两个30 pF的瓷片电容来稳定频率和快速起振[8]。复位电路采用按键手动复位，通过RST引脚与电源VCC接通实现[9]。

3 系统软件结构设计

图5所示为系统主程序流程图。首先进行各模块的初始化，然后选择方式1或方式2进行开锁，其中方式1为蓝牙开锁，方式2为密码开锁。门锁开时，SIM900A模块会发送短信到用户手机上，提醒用户门锁已打开。

4 手机App设计

本蓝牙通信开关系统是建立在安卓开发环境上的利用蓝牙通信技术控制设备开关（即智能锁的开关）的系统[10]。系统通过蓝牙连接硬件设备，主要包括用户登录模块和设备管理模块。用户登录模块完成用户登录注册及核对功能，设备管理模块包括手机蓝牙及相关蓝牙设备的连接、控制和监测功能。系统的最终目的是完成一个界面简洁，操作简单，具有交互控制功能的手机App软件。其中软件运行环境包括最新版本Android集成开发环境（版本22.6.0以上）；Eclipse Indigo（版本 3.7.2）；Windows 7/8；具有蓝牙功能，Android 4.3或以上版本的Android设备。endprint

4.1 软件流程及功能

4.1.1 设备连接及管理模块功能

用户进入系统后，先打开手机蓝牙再进行设备连接。成功连接设备后，可与设备进行对话管理。

4.1.2 扫描功能

用户要连接设备时，先要扫描找到设备，将扫描到的设备一一配对，若成功则加入已配对设备列表。找到设备时，将设备MAC地址传到蓝牙聊天主进程，用以连接一个设备。

4.1.3 监听功能

当设备未连接时，要开启一个服务进程，建立、启动一个请求连接的监听进程，设置为等待设备的连接状态。当进程启动后直到有设备连接时，都会监听和接收连接请求，若连接无效则关闭，若连接有效则进入连接进程，进入连接进程之后会取消当前的监听进程。

4.1.4 连接功能

进入连接进程后，UI界面状态更改为正在连接的状态。取消蓝牙的可见状态，然后进行连接操作，如果出现异常则表示链接失败，通知UI更新界面，显示链接失败状态，然后关闭BluetoothSocket，重新开启一个监听服务。如果连接成功则进入连接管理进程。

4.1.5 连接管理功能

成功连接设备后，UI界面状态变为已连接，连接之后就可以对设备进行管理。连接管理进程需要通过其输入（出）流来操作具体信息，进程会一直从输入流中读取信息。同时需要实行写操作，将要发送的消息写入输出流再发送到UI进程中，进行同步更新，若读取消息失败或产生异常，则表示连接丢失，通知UI进程更新。

4.2 软件使用详解

4.2.1 用户登录模块

用户登录模块包括用户登录和注册。新用户首次进入系统时，需要先注册一个账号。若用户已有账号则可直接登录系统，用户登录系统时系统会自动验证账号，查看密码是否正确，若正确，则用户进入系统，否则无法进入。App主程序图如图6所示。

4.2.2 设备管理模块

用户进入系统后，首先会提示用户打开手机蓝牙，界面如图7（a）所示；若不打开则会直接退出系统。手机蓝牙打开后进入系统主界面，界面如图7（b）所示；主界面上有三个按钮，分别是连接设备，打开和关闭按钮。点击连接设备按钮，系统会自动搜索周围的蓝牙设备，界面如图7（c）所示。整体布局由一个线性布局LinearLayout组成，其中包含两个textview，来显示已经配对的设备和其它可用设备（还没有经过配对），两个ListView分别用于显示已经配对和没有配对设备的相关信息。按钮则用于执行扫描过程。找到相关的蓝牙设备，连接好便可以利用主界面上的打开关闭按钮对相关蓝牙设备进行管理，即控制锁的开关。主界面右上角有相关蓝牙设备的连接状态显示，若显示未连接，则不能对相关设备进行管理。

5 系统的安全性设计

为提高新型智能门锁的安全性，通过多层保障来保证门锁的安全。首先应关注蓝牙解锁部分。由于手机App不是公开的，只有主人手机上才有，故门锁上的蓝牙模块同一时刻只能连接一台设备，并且只有蓝牙配对成功后才能够连接锁端并开锁，而其他無限设备无法连接。密码解锁部分利用矩阵键盘，通过添加干扰键的方式增强密码的安全性，并在密码解锁部分添加了报警电路，若有非法操作发生时，智能门锁会发出报警声。在智能门锁上添加短信发送模块，每次门锁打开后，智能门锁中的短信模块将会发送一条信息到主人的手机上，用于提示主人家里门锁被打开。主人可以判断是否为家人操作，如不是可立即报警，以提高家居生活的安全性。

6 结 语

该设计以51单片机、蓝牙HC-06模块以及SIM900A模块为核心，并扩展继电器电路用于实现电磁锁的打开、闭合，无需机械钥匙通过智能手机即可实现门锁的开关。同时，在手机没电的情况下还可进行密码解锁。门锁中的短信发送模块大大提高了智能门锁的安全性。经过实验证明，该系统安全可靠、操作简单、成本很低，具有很强的实用性，适用于家庭住宅、办公室保险箱等需要防盗的场所。随着移动电子科技的发展，这种成本低、安全性高、使用简单方便的智能门锁将走进千家万户。

参考文献

[1]林岚岚.门锁行业的市场现状及其发展趋势[J].中国建筑金属结构，2011（12）： 40-44.

[2]欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.蓝牙4.0 BLE完全开发手册[M].北京：化学工业出版社，2013：36.

[3]周文超，黄哲，王超，等.基于单片机的蓝牙智能门锁设计与实现[J].信息技术，2013（7）：133-135.

[4]梁丽.电子密码锁的计算机仿真设计[J].计算机仿真，2005，22（2）：218-220.

[5]李捷，陈典涛，陈健华，等.一种基于单片机的电子密码锁的设计[J].农机化研究，2004（5）：146-147.

[6]董继成.能防止多次试探密码的单片机密码锁[J].电子设计工程，2004（3）：19-21.

[7]路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].北京：清华大学出版社，2004.

[8]房小翠，王金凤.单片机实用系统设计技术[M].北京：国防工业出版社，1999：34.

[9]孙涵芳，徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理应用[M].北京：航空航天大学出版社，2004：42.

[10]毋建军.Andriod应用开发案例教程 [M].北京：清华大学出版社，2013.endprint