融合STM32與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)：打造智能門鎖新時(shí)代

摘要：為了提高門鎖的安全性，基于STM32和機(jī)智云設(shè)計(jì)了一款新型智能門鎖。該系統(tǒng)主要由STM32 主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元、矩陣鍵盤單元、TFT 液晶顯示、手機(jī)APP 等模塊組成，實(shí)現(xiàn)了一款擁有警報(bào)功能的控制系統(tǒng)。此外，結(jié)合日常生活的實(shí)用性，在此基礎(chǔ)上增加手機(jī)無(wú)線遠(yuǎn)程解鎖功能。

利用esp8266 無(wú)線傳輸模塊將智能門鎖與手機(jī) APP 進(jìn)行連接，并在同一局域網(wǎng)下， 機(jī)智云通過(guò)一鍵配置實(shí)現(xiàn)互通，并實(shí)時(shí)顯示和控制開、關(guān)鎖的狀態(tài)。最終組成完整系統(tǒng)并完成了調(diào)試。

傳統(tǒng)的鎖具不僅不方便而且安全系數(shù)較低，而智能門鎖由于隱私性高、編碼量多、隨機(jī)開鎖成功率低、密碼可隨時(shí)變化等優(yōu)點(diǎn)，滿足了人們更高的需求。將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)的智能門鎖系統(tǒng)，不僅易于操作，而且推動(dòng)了人機(jī)交換的進(jìn)程。

借助 STM32F103ZET6 單片機(jī)優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能、最大程度的集成整合、配置靈活、強(qiáng)大的編程和控制能力，設(shè)計(jì)了一種 STM32F103ZET6 為主控制器的智能門鎖系統(tǒng)， 結(jié)合鍵盤模塊、EEPROM 模塊、TFT 彩屏模塊和無(wú)線傳輸?shù)?*電路構(gòu)建智能門鎖管理體系。在此基礎(chǔ)上增加手機(jī)無(wú)線遠(yuǎn)程解鎖功能，利用 ESP8266 無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)云服務(wù)器將智能門鎖設(shè)計(jì)與手機(jī) APP 進(jìn)行連接，并在同一局域網(wǎng)下機(jī)智云通過(guò)一鍵配置實(shí)現(xiàn)互通。此設(shè)計(jì)大大增加了實(shí)用性，而且有著更高的安全和可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為控制程序的主要組成部分，為了獲得最佳的性價(jià)比并且需要聯(lián)網(wǎng)功能，所以需要選擇一個(gè)比較合理的單片機(jī)型號(hào)。又考慮到單片微型計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、操作速度、性能、I/O 端口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和串行端口等。除抗干擾性、封裝的形式、保密性能也存在一些基本要求，如優(yōu)先中斷源的數(shù)量、工作溫度的范圍、低電壓的檢測(cè)、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器微控制器和復(fù)位功能，還應(yīng)考慮開發(fā)過(guò)程、開發(fā)工具、程序員、研究成本、開發(fā)人員的適應(yīng)性、技術(shù)支持和服務(wù)等方面。

基于這些因素，選擇 STM32 作為本設(shè)計(jì)的核心組件，使用靈活的設(shè)計(jì)、編程和多樣端口 I/O，并控制它的準(zhǔn)確性。使用外部 AT24C02 芯片存儲(chǔ)密碼并通過(guò)TFT 彩屏實(shí)現(xiàn)顯示功能，利用無(wú)線傳輸將實(shí)物與機(jī)智云連接，在手機(jī) APP 上顯示是否處于正常狀態(tài)和控制門鎖開關(guān)。最后使用鍵盤通過(guò)輸入密碼來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。系統(tǒng)整體框圖見圖 1。

圖 1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 矩陣鍵盤模塊

鍵盤是單片機(jī)非常重要的輸入設(shè)備，分為獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵，因此，使用起來(lái)很方便。這個(gè)設(shè)計(jì)需要大量的按鍵，所以使用矩陣按鈕來(lái)保存 I/O 線，當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，通過(guò)某個(gè)側(cè)引腳給出一個(gè)低電平，并且對(duì)整個(gè)引腳進(jìn)行掃描，看它是否與原始賦值相同，并根據(jù)相應(yīng)的算法確定密碼（通過(guò)將值更改為初始值或根據(jù)結(jié)果）。鍵盤為 4×4 形式，按鍵包括數(shù)字 0~9，以及模式、改密、確認(rèn)、取消、網(wǎng)絡(luò)復(fù)位和消除警報(bào) 6 個(gè)應(yīng)用按鍵。如果需要輸入或更改密碼，按下相應(yīng)的按鈕將會(huì)和單片機(jī)生成一個(gè)信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的程序。

1.3顯示模塊

彩屏顯示屏幕的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著 GRAM 的存儲(chǔ)單元，對(duì)應(yīng)于芯片內(nèi)部有將數(shù)據(jù)從 GRAM 存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)換為 LCD 屏幕的控制信號(hào)，顯示界面就是由這些具有一定的顏色及亮度的各點(diǎn)組成。普通 TFT 的響應(yīng)時(shí)間約為 80 ms 的較高速度，視角通常高達(dá) 130 度左右，主要用于高品質(zhì)產(chǎn)品，可以在屏幕上獲得高速、高亮度和高對(duì)比度的信息。

當(dāng)光源照耀時(shí)，光源向上經(jīng)由過(guò)程下偏光板，液晶分子指導(dǎo)光芒，經(jīng)由過(guò)程遮光和透光達(dá)到測(cè)繪工具。因?yàn)門FT 彩屏具有很大的數(shù)據(jù)庫(kù)，所以傳統(tǒng)的單片機(jī)滿足不了更新界面時(shí)刷新數(shù)據(jù)的速度，因此有越來(lái)越多的工程師把它設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去。本設(shè)計(jì)采用的 ILI9341 通過(guò)配置引腳和控制信號(hào)線就可以使芯片工作在需要的模式，芯片使用 8080 接口或者 SPI 接口與 MCU 進(jìn)行通訊。

1.4無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊采用 ESP8266WIFI 模塊，ESP8266 有著同類產(chǎn)品所沒(méi)有的高配置和兼容性，它配置的Flash 為 4 MB，內(nèi)存為 80 KB。支持的方式有 AT 指令、C、Python、Javascript 和 Lua 等。而且ESP8266模塊自帶總線拓展與外設(shè)等接口，利用該性能將系統(tǒng)與手機(jī) APP 進(jìn)行聯(lián)合就可以達(dá)到人機(jī)交流的目的。該模塊原理見圖 2。

1.5存儲(chǔ)模塊

EEPROM 模塊的 IIC 總線由單片機(jī)控制，掛在 IIC 總線上的設(shè)備可以很多個(gè)，每個(gè)有獨(dú)立的地址，但單片機(jī)發(fā)送指定的地址之后，該地址的對(duì)應(yīng)設(shè)備就會(huì)向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)運(yùn)行該系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)使用的是 AT24C02 芯片，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和特定的一些任務(wù)、尋找指令和接收發(fā)送數(shù)據(jù)。AT24C02 是一個(gè)2 K 位串行的 CMOS E2PROM，采用兩線串行總線與STM32進(jìn)行交流。AT24C02 的頁(yè)面寫入緩沖區(qū)為 16 字節(jié)， 該芯片僅利用 IIC 總線接口提供寫保護(hù)。電源關(guān)閉裝置的功能是在電源開啟時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的價(jià)格信息。AT24C02原理見圖

1.6 智能鎖模塊

電磁鎖設(shè)計(jì)與具有電磁效應(yīng)的電磁設(shè)計(jì)相同。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，電磁鐵就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的拉力，把拉動(dòng)的鐵片吸到門鎖上就達(dá)到鎖門的目的。只要一個(gè)微小的電流可以產(chǎn)生很大的磁力，正確關(guān)掉電源之后，電磁鎖失去吸收力，就可以打開。

繼電器是由電從而達(dá)到控制的一種裝置，控制系統(tǒng)與受控系統(tǒng)之間存在著相互作用的關(guān)系，在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的存在。在正常狀態(tài)下，公共端與常閉端相接，當(dāng)密碼輸入正確，將會(huì)導(dǎo)通，繼電器使能端將有電流通過(guò)，公共端就會(huì)與常開端連接，從而達(dá)到一個(gè)“開關(guān)”的目的。因此，它在諸如自動(dòng)調(diào)諧、保護(hù)和轉(zhuǎn)換方案等電路中發(fā)揮作用。繼電器原理見圖 4

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用C 語(yǔ)言編寫，主要由智能鎖模塊、顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊、矩陣鍵盤模塊以及密碼驗(yàn)證和密碼更改這幾部分的設(shè)計(jì)組成。智能門鎖整體流程見圖 5。

2.1 智能鎖模塊程序設(shè)計(jì)

微控制器接受輸入代碼后并將其與EEPROM 中存儲(chǔ)的密碼進(jìn)行比較。如果密碼正確，繼電器公共端與常開端保持連接狀態(tài)，電磁驅(qū)動(dòng)器生效，鎖簧收縮開鎖；如果密碼不正確，繼電器處于常閉狀態(tài)，鎖將不會(huì)打開。

2.2 顯示模塊程序設(shè)計(jì)

顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示W(wǎng)iFi 連接、輸入密碼、更改密碼和開關(guān)鎖等實(shí)時(shí)狀態(tài)。它具有豐富多樣的接口、編程方便、易于擴(kuò)展等良好的性能，同時(shí)在內(nèi)部設(shè)有特定的驅(qū)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng) IC 自己集成顯示緩存，不需要外部顯示緩存，此設(shè)計(jì)選用的是 ILI9341 驅(qū)動(dòng)芯片。該系統(tǒng)對(duì)硬件層的配置主要是對(duì) STM32 的 I/O 端口的輸入/輸出和相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置，顯示驅(qū)動(dòng)是向 TFT 彩屏發(fā)送數(shù)據(jù)、控制指令和簡(jiǎn)單的畫點(diǎn)等函數(shù)。

2.3 無(wú)線傳輸模塊程序設(shè)計(jì)

ESP8266 是一款超低功耗 UART-WiFi 傳輸模塊，通過(guò)將物理設(shè)備連接至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行 Internet 或LAN 通信，從而提供網(wǎng)絡(luò)連接。該模塊有STA 模式、AP 模式和STA+AP 模式３種模式。

在設(shè)計(jì)中用 AP 模式就可以實(shí)現(xiàn)此功能，需用到指令：

1.設(shè)置 wifi 模式：AT+CWMODE=2

2.重啟生效：AT+RST

3.啟動(dòng)多連接：AT+CIPMUX=1

4.建立 server：AT+CIPSERVER=1

2.4 矩陣鍵盤模塊程序設(shè)計(jì)

鍵盤選用的是 4×4 矩陣鍵盤，通過(guò)編程分別賦值給不同信息，從數(shù)值 0~9 中，任意選取 6 位數(shù)字作為輸入密碼，主要通過(guò)掃描的原理來(lái)判斷按鍵有無(wú)閉合及其位置信息，當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，通過(guò)某個(gè)側(cè)引腳給出一個(gè)低電平，并且對(duì)整個(gè)引腳進(jìn)行掃描，看它是否與原始賦值相同，并根據(jù)相應(yīng)的算法確定密鑰有著實(shí)現(xiàn)復(fù)位、模式、更改密碼和確認(rèn)等功能。

2.5 密碼驗(yàn)證和密碼更改程序設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入密碼正確時(shí)，密碼驗(yàn)證成功，成功開鎖。輸入密碼失敗超過(guò)３次，將會(huì)發(fā)出報(bào)警。用戶需要更改密碼時(shí)，需先輸入原始密碼，確認(rèn)后輸入 2 次要改的密碼。

2.6 手機(jī)APP

機(jī)智云是AIoT開發(fā)及云服務(wù)平臺(tái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及解決方案商，國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，國(guó)家級(jí)特色專業(yè)型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，工信部第五批服務(wù)型制造示范平臺(tái)，廣東省專精特新中小企業(yè)、廣東省“上云上平臺(tái)”應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)供應(yīng)商、廣東省服務(wù)型制造示范平臺(tái)。

機(jī)智云聚焦物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，立足制造企業(yè)設(shè)備智能化、場(chǎng)景數(shù)智化需求，基于機(jī)智云AIoT底層技術(shù)，通過(guò)研發(fā)自主可控的工業(yè)基礎(chǔ)軟件，構(gòu)建AIoT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及“軟件+硬件+算法+服務(wù)”一站式軟硬件解決方案，打通產(chǎn)品從設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)到售后運(yùn)維的全流程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期數(shù)字化管理，有效幫助傳統(tǒng)制造企業(yè)低成本、高效率實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化改造。

機(jī)智云主要產(chǎn)品涵括機(jī)智云工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè) DTU、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器、IoT AI 質(zhì)檢設(shè)備、企業(yè) APP 及 SaaS 系統(tǒng)、企業(yè)私有云等。產(chǎn)品及服務(wù)具有開放性強(qiáng)、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)先、行業(yè)通用性廣、技術(shù)門檻低、實(shí)施成本低、實(shí)施效率快等顯著優(yōu)勢(shì)。機(jī)智云服務(wù)覆蓋全球200+國(guó)家/區(qū)域。行業(yè)主要覆蓋紡織、家電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、輕工、電子、電力、熱力和燃?xì)?、農(nóng)業(yè)、機(jī)械等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域、形成多個(gè)行業(yè)解決方案。

3 系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析之后，選取一個(gè)最適合的方案，并完成硬件的設(shè)計(jì)，之后完成編程與系統(tǒng)調(diào)試，先調(diào)試單獨(dú)模塊，最后級(jí)聯(lián)調(diào)試，利用 Altium Designer 10 軟件，對(duì)電路進(jìn)行規(guī)則檢查。軟件方面用編程軟件 Keil，在檢查程序沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤后，生成 hex 文件，燒錄到單片機(jī)中。當(dāng)用戶試圖打開一個(gè)鎖時(shí)，必須先通過(guò)提供的鍵盤輸入正確的密碼。當(dāng)輸入密碼不正確時(shí)，將通過(guò)手機(jī) APP 發(fā)生警報(bào)，并在 TFT 彩屏上顯示錯(cuò)誤。下位機(jī)整體實(shí)物見圖 6。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要借助 STM32 和機(jī)智云設(shè)計(jì)了一款新型智能門鎖。此設(shè)計(jì)中主要采用 STM32 單片機(jī)為主控模塊，運(yùn)用 AT24C02存儲(chǔ)芯片、ESP8266WiFi、TFT 彩屏、4×4 矩陣鍵盤、繼電器和電磁鎖等**電路。矩陣鍵盤作為輸入，任意 6 位數(shù)字作為密碼，用 C 語(yǔ)言編寫主控單元的控制程序和EEPROM 讀寫程序相結(jié)合， 設(shè)計(jì)出一款不僅擁有警報(bào)功能還可以用手機(jī)控制的智能門鎖系統(tǒng)。

增加了手機(jī)遠(yuǎn)程控制的功能，利用無(wú)線傳輸功能，可將電子鎖與手機(jī) APP 機(jī)智云進(jìn)行連接，并在機(jī)智云上實(shí)時(shí)顯示是否處于正常的狀態(tài)和控制開、關(guān)鎖。其利用 ESP8266 無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)云服務(wù)器將智能門鎖設(shè)計(jì)與手機(jī) APP 進(jìn)行連接，并在同一局域網(wǎng)下機(jī)智云通過(guò)一鍵配置實(shí)現(xiàn)互通，當(dāng)機(jī)智云發(fā)出信號(hào)時(shí)將會(huì)傳輸?shù)?ESP8266 芯片，再通過(guò)芯片傳送至STM32 單片機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

審核編輯 黃宇