自制Arduino RFID門鎖—第二部分：用智能手機解鎖

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在上一篇文章自制 Arduino RFID門鎖中，我們制作了Arduino RFID門鎖，并且能夠使用RFID標簽或鍵盤來解鎖。那么，如果您想要進一步簡化流程該怎么辦呢？在第二部分中，我們將添加一個附加功能：使用智能手機來解鎖。這是一種更簡單的控制門的辦法，尤其是當所有人都希望能夠通過一個設(shè)備就能控制所有物品的時候。那么我們該怎么做呢？我們將會把藍牙模塊連接到先前的設(shè)置中，并連接電子門。

硬件

HC-05 藍牙模塊

ABK-704L 電氣設(shè)備

Arduino Nano

RFID RC522

壓電蜂鳴器

2x 330 電阻

4×4 鍵盤

LCD適配器I2C

LCD16X2BL

DC-DC 降壓模塊 MP1584EN

軟件

MIT App Inventor 2

Arduino IDE

Github

步驟1：連接藍牙

在這一步中，我們將深入研究HC-05藍牙模塊。

Arduino-info Wiki

有以下兩種操作模式：

指令模式 – 將AT指令發(fā)送到藍牙模塊；

數(shù)據(jù)模式 – 從另一個藍牙模塊接收和傳輸數(shù)據(jù)。默認的模式是數(shù)據(jù)模式，默認設(shè)置如下：

波特率：9600 bps，數(shù)據(jù)：8位，停止位：1位，奇偶校驗：無

密碼：1234

設(shè)備名稱：HC-05

針對我們的應(yīng)用程序，我們將使用數(shù)據(jù)模式，因為我們僅需要使用串行通信來從手機接收信息。

有關(guān)串行通信的更多信息，請參考Arduino串行通信教程。

圖1：藍牙模塊引腳

在此應(yīng)用程序中，我們需要使用以下引腳—Arduino-info Wiki:

VCC: +5 電源

GND: 系統(tǒng) / Arduino接地

TX: 將串行數(shù)據(jù)從HC-05傳輸?shù)?Arduino 串行接收端口

RX: 接收來自Arduino 串行發(fā)送端口的串行數(shù)據(jù)

圖2：HC-05 和Arduino Nano的接線圖

圖3：藍牙和Arduino之間的連接

代碼

藍牙使用串行通信；“Serial.write(Serial.read())；”連接了RX和TX引腳后，該指令將會正常運行。如果這對藍牙模塊不適用，則下面的代碼返回的內(nèi)容與您在Arduino IDE中編寫的文本相同。

void setup(){
 
 Serial.begin(9600);
 Serial.println("What did you say?:");
 }

void loop(){
 if (Serial.available())
 Serial.write(Serial.read());
 }

您需要在設(shè)備管理器中找到Arduino的編程端口；連接藍牙后，將出現(xiàn)“藍牙鏈接上的標準串行”，您必須選擇“USB-SERIAL”才能對Arduino進行編程。您需要使用串行電纜上傳程序，不能使用無線藍牙將程序上傳到開發(fā)板。

連接RX和TX后，您將收到許多錯誤信息，如下所示：

為了避免這些錯誤，您需要在藍牙的TX引腳沒有連接到Arduino開發(fā)板的情況下上傳程序。藍牙的TX引腳具有低阻抗，而Arduino的RX輸入具有高阻抗。最終的阻抗將為較低的一個，而RX輸入將會被繞過（從USB端口產(chǎn)生的電流直接通過藍牙輸出，而不是Arduino開發(fā)板）。這就是數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)狡谕恢命c的原因。另外，電流直接流入設(shè)備的輸出端將會在模塊之間產(chǎn)生錯誤的連接，會導(dǎo)致電氣故障。我們想要做的是對Arduino進行編程，而不是將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍牙模塊。

斷開藍牙的TX引腳后，一切都會正常工作，您就可以上傳代碼了。

圖4：連接藍牙TX引腳而導(dǎo)致的電氣故障

圖5： HC-05 和Arduino Nano的接線圖，顯示了上傳代碼之前的正確連接

上傳代碼后，下一步是連接到電腦上的藍牙。您需要重新連接藍牙的TX引腳，因為現(xiàn)在我們將使用無線通信，串行電纜只用于供電。

請按照以下步驟將藍牙連接到PC（在Windows 10系統(tǒng)上）：

打開設(shè)置（Settings）

點擊設(shè)備（Devices）

選擇藍牙（Bluetooth）

點擊開啟（ON）

找到“HC-05”并點擊“PAIR”

輸入密碼“1234”

圖6：在Windows 10系統(tǒng)上連接藍牙模塊

如果您已經(jīng)按照上述步驟進行了操作，那么您的藍牙連接應(yīng)該就成功了，您可以對模塊進行測試。有一種簡單的檢查連接是否成功建立的方法：在Arduino IDE中鍵入一個單詞，然后查看是否返回相同的單詞，如果是的話，就說明一切正常，您可以繼續(xù)往下進行了！如果不是，請返回之前的步驟并再次對藍牙配對。

因為我們不再使用通過電纜的串行通信，所以需要找到藍牙的COM。我們需要回到端口（PORTS）部分的設(shè)備管理器（Device Manager），并搜索藍牙設(shè)備。在我的應(yīng)用中是PORT 17：

在設(shè)備管理器中找到COM后，您需要在Arduino IDE中執(zhí)行相同的操作（即將COM端口設(shè)置為COM 17）。您需要點擊TOOLS → PORT → COM 17。

圖7：在Arduino IDE中設(shè)置COM

選擇正確的COM后，您可以對模塊進行測試，查看是否工作正常。

請確保您在串行監(jiān)視器中選擇了以下兩個選項：

NL & CR

9600 波特

在我們的演示中，我們將輸入信息“Hello!”

輸出內(nèi)容應(yīng)與輸入內(nèi)容相同：

步驟2：設(shè)備

讓我們參考一下上一篇文章自制Arduino RFID門鎖！我們將使用與之前相同的組件，然后增加一個藍牙模塊（HC-05）。為了將數(shù)據(jù)從智能手機傳輸?shù)紸rduino，我們需要藍牙模塊。

斷開藍牙的TX引腳很重要，否則我們將會遇到跟步驟1中相同的錯誤。

有三種方式可以打開門鎖：

從鍵盤輸入密碼

將標簽放在RFID附近

從智能手機輸入密碼

圖8：所有組件的接線圖

該鎖具有很高的電流量（800mA）。我們添加一個綠色LED燈來查看代碼是否運行正常。鍵入“*123456#” 代碼且系統(tǒng)解鎖后，LED指示燈將為高電平。

圖9：組件之間的連接

在下一步中，我們將添加電池和繼電器。我們使用兩節(jié)9V電池給門鎖供電。如果您打算將設(shè)備電壓設(shè)置為固定值，則需要購買一種可以從開關(guān)電源的220V電壓中獲得5V電壓的設(shè)備。

因為鎖的電流消耗很高，所以電池并聯(lián)連接。在這種情況下，Arduino由電池供電。我們需要使用將9V轉(zhuǎn)換為5V的DC-DC降壓模塊。輸入電壓由Arduino開發(fā)板的Vin引腳進入。我們將不再使用計算機USB的供電。

降壓模塊的輸出電壓要固定在5V。您需要使用萬用表進行校準；輸入電壓為9V，我們將旋扭電位器，直到輸出電壓為5V。

圖10：DC-DC降壓模塊（MP1584EN）

圖11：測量電池電壓

圖12：最終設(shè)置的接線圖

圖13：最終設(shè)置

完整代碼

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int state_bt=1;
int relPin;
int stare=0;
byte COD[10];
byte AUX[10];
int k=0;
String codacces="*123456#";
String ;
//nfc
#define RST_PIN 9 // Configurable, see typical pin layout above
#define SS_PIN 10 // Configurable, see typical pin layout above
MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance
#define NEW_UID {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF}
MFRC522::MIFARE_Key key;
//lcd
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

//TASTATURA
const byte numRows= 4; //number of rows on the keypad
const byte numCols= 4; //number of columns on the keypad

//keymap defines the key pressed according to the row and columns just as appears on the keypad
char keymap[numRows][numCols]= 
{
{'1', '2', '3', 'A'}, 
{'4', '5', '6', 'B'}, 
{'7', '8', '9', 'C'},
{'*', '0', '#', 'D'}
};

//Code that shows the the keypad connections to the arduino terminals
byte rowPins[numRows] = {2,3,4,5}; //Rows 0 to 3
byte colPins[numCols]= {A0,7,8,9}; //Columns 0 to 3

//initializes an instance of the Keypad class
Keypad myKeypad= Keypad(makeKeymap(keymap), rowPins, colPins, numRows, numCols);


void setup() {
pinMode(A0,OUTPUT);
digitalWrite(A0,HIGH);
pinMode(A3,OUTPUT);
digitalWrite(A3,HIGH);
pinMode(A1,OUTPUT);
digitalWrite(A1,HIGH);
pinMode(A2,OUTPUT);
digitalWrite(A2,LOW);
pinMode(6,OUTPUT);
digitalWrite(6,HIGH);
//nfc
Serial.begin(9600); // Initialize serial communications with the PC
Serial.println("What did you say?:");
while (!Serial); // Do nothing if no serial port is opened (added for Arduinos based on ATMEGA32U4)
SPI.begin(); // Init SPI bus
mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 card

for (byte i = 0; i < 6; i++) {
key.keyByte[i] = 0xFF;
}

lcd.init();
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print("BLOCKED");

}

void citireNFC(){
for (byte i =0; i<(mfrc522.uid.size); i++) {
COD[i]=mfrc522.uid.uidByte[i];
} 
Serial.print("COD");
Serial.print(COD[0]);
Serial.print(COD[1]);
Serial.print(COD[2]);
Serial.print(COD[3]);

}

void pairNFC(){
Serial.println("COD in pair");
Serial.print(COD[0]);
Serial.print(COD[1]);
Serial.print(COD[2]);
Serial.print(COD[3]);
long r=0;
int c=0;
for(int i=1;i<=EEPROM.read(0);i++){
switch(i%4){
case 1 :{AUX[0]=EEPROM.read(i); break;}
case 2 :{AUX[1]=EEPROM.read(i); break;}
case 3 :{AUX[2]=EEPROM.read(i); break;}
case 0 :{AUX[3]=EEPROM.read(i); break;}
}
if((i)%4==0)
{Serial.println(r);
if( AUX[0]==COD[0] && AUX[1]==COD[1] && AUX[2]==COD[2] && AUX[3]==COD[3] ){
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("CODE ALREADY IN");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("SYSTEM");
delay(2000);
c=1;
break;} 
}
}
if(c==0){int ttt=EEPROM.read(0);
Serial.println("CODE PAIRED");
Serial.print(COD[0]);
Serial.print(COD[1]);
Serial.print(COD[2]);
Serial.print(COD[3]);

EEPROM.write(ttt+1,COD[0]);
EEPROM.write(ttt+2,COD[1]);
EEPROM.write(ttt+3,COD[2]);
EEPROM.write(ttt+4,COD[3]);

ttt=ttt+4;
Serial.println("ttt");
Serial.println(ttt);
EEPROM.write(0,0); 
EEPROM.write(0,ttt); 
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("CODE PAIRED");
delay(2000);} 
}


boolean validareNFC(){
boolean c=false;
for(int i=1;i<=EEPROM.read(0);i++){
switch(i%4){
case 1 :{AUX[0]=EEPROM.read(i); break;}
case 2 :{AUX[1]=EEPROM.read(i); break;}
case 3 :{AUX[2]=EEPROM.read(i); break;}
case 0 :{AUX[3]=EEPROM.read(i); break;}
}
if((i)%4==0)
{
if( AUX[0]==COD[0] && AUX[1]==COD[1] && AUX[2]==COD[2] && AUX[3]==COD[3])
c=true;
}} 
return c; 
}

int comparareCOD(String a)
{ 
if(a.equals(codacces))
return 1;
else if(a.equals(codpairing)) return 2;
else return 0; 
}


String iaCOD(char x)
{ char vec[10];
vec[0]=x;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print('X');
for(int i=1;i<8;i++)
{vec[i]=myKeypad.waitForKey();
lcd.print('X');}
vec[8]=NULL;
String str(vec);
return str;
} 



void loop() {

//Start BT autentification
if(Serial.available())
{
char c=Serial.read();
switch (state_bt) {

case 1:
if(c=='*') state_bt=2;
else state_bt=1;
break;

case 2:
if(c=='1') state_bt=3;
else state_bt=1;
break;

case 3:
if(c=='2') state_bt=4;
else state_bt=1;
break;

case 4:
if(c=='3') state_bt=5;
else state_bt=1;
break;

case 5:
if(c=='4') state_bt=6;
else state_bt=1;
break;

case 6:
if(c=='5') state_bt=7;
else state_bt=1;
break;

case 7:
if(c=='6') state_bt=8;
else state_bt=1;
break;

case 8:
if(c=='#') state_bt=9;
else state_bt=1;
break;

case 9:

lcd.init(); 
lcd.backlight();
lcd.print("OPEN");
digitalWrite(6,LOW);
delay(5000);
digitalWrite(6,HIGH);
lcd.init(); 
lcd.backlight();
lcd.print("BLOCKED");
state_bt=1;
break;

default:

break;
}
}
switch(stare){
case 0: {
mfrc522.PCD_Init();
if ( mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() && mfrc522.PICC_ReadCardSerial() ){

citireNFC();
if(validareNFC()) 
{stare=1;
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("VALID NFC CODE");
delay(1000);
return; 
}
else{
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("INVALID NFC CODE");
delay(1000);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print("BLOCKED");
return;
}
}
char c=myKeypad.getKey();
if(c != NO_KEY){

String codcurent=iaCOD(c);
int A=comparareCOD(codcurent);
if(A==0)
{lcd.clear();
lcd.print("INVALID CODE");
delay(2000);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print("BLOCKED");
return;}
if(A==1)
{lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print("VALID CODE");
delay(2000);
stare = 1;
return;}
if(A==2);
{stare=2;
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Pairing...");
delay(2000);
return;}
} break;
}
case 1:{
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("UNLOCKED");
digitalWrite(A3,LOW);
digitalWrite(A1,LOW);
digitalWrite(A2,HIGH);
//tone(6,3000,5010);
digitalWrite(6,LOW);
delay(5000);
digitalWrite(6,HIGH);
digitalWrite(A3,HIGH);
digitalWrite(A1,HIGH);
digitalWrite(A2,LOW);
stare=0;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.clear();
lcd.print("BLOCKED");



return;
}
case 2:{

mfrc522.PCD_Init();
if ( mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() && mfrc522.PICC_ReadCardSerial() ){
citireNFC();
pairNFC();
stare=0;
delay(2000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("BLOCKED"); }
break;
}
}
}

步驟3：應(yīng)用程序

在此步驟中，我們將為系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序。我使用的是MIT App Inventor 2程序。這個程序很簡單，不需要很高的編程技能，可以在此處下載：MIT AppInventor。為了打開該應(yīng)用程序，您需要：

下載應(yīng)用程序

用您的Google賬號進行登錄

開始一個新的項目

在安裝了程序之后，您會找到如下的一個圖形界面：

圖 14 : MIT AppInventor

為了對您的程序進行測試，您需要在手機上從Google Play下載“MIT AI2”應(yīng)用程序。這是一個免費的應(yīng)用程序，專門用于將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序同步到智能手機上。

圖15：Google Play上的MIT AppInventor

如果您想要在手機上查看應(yīng)用程序的屏幕，需要點擊Connect → AI Companion。

圖16：連接應(yīng)用程序

點擊之后，該應(yīng)用程序?qū)槟峁﹥煞N操作方式：

您可以掃描條形碼（在您的設(shè)備上啟動MIT AI2 Companion，然后掃描條形碼或鍵入用于連接的代碼，以對您的應(yīng)用程序進行實時測試）

在您的應(yīng)用程序中輸入6個字母的代碼

我將使用第二種方法，將電腦產(chǎn)生的6個字母的代碼輸入到手機應(yīng)用程序中。

圖17：網(wǎng)絡(luò)與手機同步

我選擇這個應(yīng)用程序是因為它易于使用；您無需具備編程技能即可實現(xiàn)如上所述的簡單代碼。您只需要構(gòu)思一下應(yīng)用程序的外觀，在該應(yīng)用程序中進行外觀設(shè)置也非常簡單。

我們先從用戶界面開始：

圖18：用戶界面

圖19：我的用于無線打開門鎖的應(yīng)用程序

您可以在屏幕上添加應(yīng)用程序的任何元素（按鈕，圖像，文本框，標簽）。在右側(cè)菜單中，您可以選擇想要從屏幕上獲取的特征（水平對齊，應(yīng)用名稱，標題）。如果您想要背景圖像，可以從背景圖像（Background Image）菜單中進行選擇。在該應(yīng)用程序中，我選擇在藍牙和手機之間的連接打開時顯示綠色背景，在連接關(guān)閉時顯示紅色背景。

該應(yīng)用程序中屏幕上的三個要素：

圖20：不可見的組件

傳感器組件 & 用戶界面組件 – MIT App Inventor

1.Bluetooth Client1 – 檢測藍牙設(shè)備的組件。該系統(tǒng)中返回以下內(nèi)容的函數(shù)：

配對的藍牙設(shè)備的地址和名稱 – AddressesAndNames

設(shè)備上的藍牙是否可用 – 可用（Available）

是否啟用藍牙 – 是（Enabled）

2.Clock1 – 不可見的組件，通過手機上的內(nèi)置時鐘提供即時時間。它可以按照設(shè)置的時間間隔定期地觸發(fā)計時器，并執(zhí)行時間的計算、操作和轉(zhuǎn)換。

3.Notifier1 – 通知器組件顯示警報對話框、消息和臨時警報，并通過以下方式創(chuàng)建Android日志條目：

ShowMessageDialog: 顯示一條用戶必須通過按下按鈕才能關(guān)閉的消息。

LogError: 將錯誤消息記錄到Android日志中。

LogInfo: 將信息消息記錄到Android日志中。

圖21：屏幕模塊

如果未連接藍牙，您會收到一個錯誤信息，該錯誤信息會顯示在連接狀態(tài)（Link Status）部分中。我在沒有連接設(shè)備的情況下輸入了打開門的密碼，應(yīng)用程序提醒我設(shè)備沒有打開。這是一個很好的通知器，因為您有可能會忘記進行設(shè)備的配對，這樣就無法把門打開。

圖22：通知器顯示錯誤信息

該應(yīng)用程序有三個按鈕：

1. 連接：該按鈕被啟動時，將會顯示一個文本列表供用戶選擇。此按鈕相當于藍牙查找器。如果您使用該應(yīng)用時附近開啟的藍牙設(shè)備多余一個，則這些藍牙將會顯示在搜索框中。我的附近只有一個打開的藍牙，即HC-05模塊。

圖23：搜索藍牙設(shè)備

圖24：listpicker模塊

2. 斷開連接：此按鈕將會把應(yīng)用程序與手機之間的連接斷開。點擊按鈕后，背景色變?yōu)榧t色。

圖25：斷開連接模塊

3. 發(fā)送文本：僅在建立連接時有效。程序通過藍牙的“SendText”函數(shù)發(fā)送文本數(shù)據(jù)。在狀態(tài)部分將顯示消息“消息已發(fā)送”（Message Sent）。

圖26：發(fā)送文本模塊

應(yīng)用程序是如何工作的 – Pevest App Inventor 2: 學習編碼

“當輸入Clock1.Timer指令時，該應(yīng)用程序會檢查藍牙是否打開。變量 ByteAvailable 和 CommandByte將被初始化設(shè)置為0，以用于傳輸。如果獲取到了有關(guān)數(shù)據(jù)，則使用ReceiveSigned1ByteNumber讀取傳入數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)。這是指令字節(jié)。根據(jù)指令的值，將采用合適的藍牙模塊中的方法（method）來讀取下一個字節(jié)?！?/p>

圖 27: 傳輸模塊/ ? Pevest App Inventor 2

結(jié)論

該項目由于需要使用大量的外圍設(shè)備之間的通信而具有一定的挑戰(zhàn)性，因此我花了一些時間來尋找連接所有組件的理想方式。它幫助我了解了制造復(fù)雜設(shè)備的過程中可能發(fā)生的一些錯誤，以及避免這些錯誤的方法。

Tiberia Todeila

Tiberia目前在Politehnica大學進行最后一年的學習，專業(yè)方向為電氣工程。她非常熱衷于設(shè)計和開發(fā)那些讓我們的日常生活變得更加輕松的智能家居設(shè)備。

審核編輯黃宇