基于藍牙的智能門鎖控制系統設計

摘要：為了實現門鎖的安全性、可靠性和智能化，采用STC15F2K32S2單-片機、藍牙串口模塊、驅動電機、限位開關、電流監測模塊等設計了一種無線智能門鎖控制系統，該系統和智能手機等智能藍牙設備進行人機交互，實現對門鎖的開鎖、閉鎖、參數設置等操作，并采用密碼驗證、數據加密等方式保證系統的安全性。經過實踐證明，該系統安全可靠、操作方便，完全達到了實際使用要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.coni.cn/article/273270.htm

關鍵詞：STC15F2K32S2單-片機；藍牙串口模塊；限位開關；ACS712ELC；Android

DOI：1 0.396 9/j.issn.1 005-5517.2 01 5.4.011

引言

門鎖是與人們日常生活聯系最為緊密的物品之一。隨著社會、科技、文化的進步，人們對門鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來越高，傳統機械門鎖的安全性已經越來越不能滿足人們的需求，傳統機械門鎖正在面臨著嚴峻的挑戰，技術及科技含量較高的智能鎖具，如密碼鎖、IC卡鎖、指紋鎖、無線遙控鎖等以其智能化和成熟的技術正逐步取代傳統鎖具。

1 系統概述

為了增強門鎖的安全性、可靠性，并進一步實現智能化，設計了一種基于藍牙的無線智能門鎖控制系統，該系統可以單獨使用，也可配合傳統機械鎖共同使用，該系統主要由門鎖控制系統和智能移動設備藍牙客戶端軟件兩部分構成，門鎖控制系統由STC15F2K32S2單片機、藍牙串口模塊、繼電器、驅動電機、鎖閂、限位開關等模塊組成，藍牙串口模塊以從模式進行廣播，等待智能移動設備作為主設備進行掃描、地址配對以及密碼驗證等，完成密碼驗證后，雙方以3DES加密方式進行數據通訊。STC15單片機對藍牙串口模塊傳輸的數據進行加密或者解密，當收到合法的開鎖或閉鎖命令后，STC15單片機控制繼電器使電機正轉或者反轉，帶動門閂完成開鎖、閉鎖操作，并通過監測限位開關和電流傳感器來保證操作的準確性和安全性。設計的兩個按鍵方便在屋內進行開鎖和閉鎖操作，LED燈和蜂鳴器起到提示和報警作用，霍爾開關用來檢測門是否關好。智能移動設備藍牙客戶端軟件主要完成系統登錄、藍牙地址配對、密碼驗證，數據加密、解密、開鎖、閉鎖命令、系統參數設置等操作，是實現人機交互的主要手段，并可對按鍵操作實現屏蔽。該系統無需機械鑰匙，非接觸、無磨損，并具有三道安全技術保障，批量投入使用，將會產生較好的社會效益。系統的總體結構示意圖

2 系統硬件設計

2.1系統電源設計

由于系統的STC15F2K32S2單片機、繼電器和ACS712ELC芯片等模塊的工作電壓都是SV，SV電源需要的功率較大，電源設計采用了效率更高、功能更強的DC-DC轉換器LM2576-5.0。LM2576系列是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。電機的工作的電壓是12V，由電源變壓器和備用蓄電池通過12供電。自恢復保險絲Fl和穩壓二極管D3構成電壓保護電路，當因其他原因致使輸出電壓超過5.3V以上時，D2導通，從而使自恢復保險絲Fl斷開，起到自動保護作用。D4、D5是系統的LED狀態指示燈。系統電源設計原理圖如圖2所示。

2.2系統主控電路接口設計

綜合成本、性能等各方面考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司謾計生產的SOP28封裝單片機STC15F2K32S2，它是單機器周期（1T）的單片機，具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優點，指令代碼完全兼容傳統8051。內部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合[3]。它內部具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用該單片機內部的EEPROM可以存儲系統密碼、配對地址、設置參數等，無需再外擴存儲器。

系統采用的藍牙串口模塊是FBT-06， FBT-06是小尺寸藍牙轉串口模塊，它內置PCB天線，具有成本低、體積小、收發靈敏度高等優點，專為嵌入式智能無線數據傳輸而打造，只需配備少許的外圍元件就能實現強大功能。藍牙模塊的EN使能端和單片機的P3.4相連接，高電平有效；模塊工作電壓為3.3V～6V，此處SV供電即可：通過STC15單片機的串口把AT指令發給藍牙模塊，實現藍牙串行數據無線透傳：藍牙串口模塊的STATE端口和單片機的P3.2相連接，單片機通過檢測該端口可以了解藍牙模塊的工作狀態，P3.2端口為高電平時表示藍牙設備連接成功。

STC15單片機自帶的12位高精度A/D轉換器可以完成對電流傳感器信號VOUT的采集、轉換功能，通過和設定的電流閥值比較來保證電機和系統的安全。按鍵Kl、K2可以在屋內實現手動開鎖、閉鎖等功能，并且按鍵Kl、K2的功能可通過手機藍牙客戶端軟件進行屏蔽，進一步增加了系統的安全性、方便性和靈活性。限位開關用來檢測鎖閂在開鎖、閉鎖時是否運行到位，一旦STC15單片機檢測到P2.4或P2.5為低電平，則說明鎖閂運行到位，并立即控制電機停止轉動，達到安全保護目的。U7是霍爾開關傳感器，如果門沒有關好，它會向單片機輸出高電平信號，單片機則控制蜂鳴器發出報警提示。系統主控電路設計原理圖如圖3所示。

2.3 鎖閂控制系統電路設計

鎖閂由直流電機通過齒輪帶動，考慮到直流電機的工作電壓較高，STC15單片機驅動繼電器采用了光耦隔離。當光耦U4導通、U5截止時，繼電器JDQ1的1引腳接+12V，而繼電器JD Q2的1引腳接地，此時電機Ml實現正向轉動，并帶動鎖閂鎖門；當光耦U4截止、U5導通時則電機Ml反向轉動，并帶動鎖閂開門；而當光耦U4、U5同時截止或導通時，電機因其兩端的電壓相同而停止轉動。為防止電機因所受阻力過大而損壞，采用了電機電流監測傳感器ACS712ELCTR-05B，它是Allegro公司生產的基于霍爾效應的線性電流傳感器，它的最大工作電流是±SA，靈敏度是185mV/A。ACS712ELC具有高絕緣電壓、單電源操作、極低內部傳導電阻等優點，可為工業、汽車、商業和通信系統中的交流或直流電流感測提供經濟實惠的精密解決方案。ACS712ELC電流傳感器監測通過電機的電流值，并傳遞給STC15單片機實時處理，當電機負載增大到一定程度，通過電機的電流值超過預先設定閥值時，STC15單片機立即控制繼電器使電機停止轉動，從而起到安全保護作用。其中，D6和D7是保護二極管，C6-C9是高壓電容，可以起到保護電路的作用。鎖閂電機控制系統電路設計原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括門鎖控制系統軟件設計和智能移動設備藍牙客戶端軟件設計兩部分，門鎖控制系統軟件在Keil C開發環境中用C語言編寫，智能移動設備藍牙客戶端軟件主要在Android開發環境下用Java語言編寫。

門鎖控制系統上電以后，STC15單片機從EEPROM中讀取系統的參數信息并完成系統的初始化工作，這包括初始化藍牙串口模塊的工作方式、初始化門鎖狀態、初始化ADC、初始化IO口等操作，STC15單片機通過串口把配對地址、驗證密碼等參數信息發給藍牙串口模塊，并把藍牙串口模塊設置為從模式，等待主設備掃描、地址配對等，而門鎖狀態則是通過限位開關進行檢測的。完成系統初始化操作之后，STC15單片機檢測按鍵按下標志位KeyFlag是否為1，如果為1并且按鍵沒有被屏蔽、則執行相應的開鎖、閉鎖操作。按鍵Kl和K2是在中斷中進行檢測的，當有Kl或K2按下時KeyFlag為1，如果按鍵沒有被軟件屏蔽，則程序在執行完相應的開鎖、閉鎖操作后把KeyFlag的值清零。ValidFlag是按鍵屏蔽標志位，ValidFlag=l時將會屏蔽Kl、K2的開鎖、閉鎖操作，這就保證了即使在屋內要通過按鍵開鎖也有一定的安全條件限制。

當有智能移動藍牙設備作為主設備通過密碼驗證后，雙方以3DES加密方式進行數據通訊。數據接收采用串口中斷方式，數據包包括數據長度，命令字、數據和一個字節的校驗碼，當串口中斷服務子程序接收到長度和校驗都符合要求的數據后把CMDValid標志位設置為1，然后在主函數中進行3DES解密，并從解密后的數據中分離出命令碼，根據命令碼執行相應的操作，如開鎖、閉鎖、參數設置等。下位機軟件設計流程圖如圖5所示。

基于Android系統客戶端軟件設計是采用Android系統提供的藍牙API實現的，主要用到了以下幾個類：BluetoothAdapter類、BluetoothDevice類、Bluetoothsocket類、Blueboothserversocket類、Bluetoothclass類。Android系統提供的藍牙API可以實現藍牙設備之間的通信，兩個藍牙設備的通信主要包括了四個步驟：設置藍牙設備、尋找局域網內可能或者匹配的設備、連接設備和設備之間的數據傳輸。通過調用靜態方法getDefaultAdapter（）獲取藍牙適配器BluetoothAdapter就可以啟動藍牙功能，使用BluetoothAdapter類里的方法來實現掃描查找藍牙設備，這需要注冊一個BroadcastReceiver來接受設備掃描到的信息，當點擊查詢到的藍牙設備時，就能獲取到該藍牙的MAC地址，通過MAC地址就能實現藍牙設備之間的連接。藍牙設備的連接如下：

BluetoothDevice device= intent.getParcelableExtra（BluetoothDevice.EXTRA一DEVICE），

BluetoothSocket socket= device.createRfe ommSo cketTo ServiceRecord （uuid），∥固定的uuid

socket.connect（），

藍牙設備連接成功后就可以實現發送和接收數據，通過流的方式將數據發送到藍牙串口模塊、STC15單片機在中斷服務子程序中讀取到完整的數據包后，分離出命令碼，根據命令碼執行相應的操作，實現對門鎖系統的控制或設置。

OutputStream os=socket.getOutputStream（）； ∥向藍牙串口模塊發送數據

InptuStream is=socket.getInptuStream（）， ∥從藍牙串口模塊接收數據

打開Android系統客戶端先要輸入賬號和密碼，登陸成功后才能進入主控界面，用戶可以修改密碼，該密碼是保存在手機文件中的。進入主控頁面點擊“手機連接藍牙門鎖”就會搜尋在附近能檢測到的藍牙設備，如果藍牙門鎖在Android客戶端能接收到的范圍內就能發現這個藍牙設備，點擊該設備會提示輸入藍牙的配對密碼，密碼輸入正確就可以實現藍牙模塊和手機客戶端的連接及數據通訊了?；贏ndroid系統客戶端軟件測試界面如圖6所示。

4 結論

以STC15F2K32S2單片機和藍牙串口模塊為核心，并擴展繼電器、電機、鎖閂電流監測模塊等設計的無線智能門鎖控制系統無需機械鑰匙，非接觸、無磨損，通過智能手機等智能藍牙設備可以實現對門鎖的開鎖、閉鎖、報警提示、參數設置等人機交互操作，并采用密碼驗證、數據加密等方式保證系統的安全性。經過實踐證明，該系統安全性高、操作簡便、成本低廉，并具有很高的實用價值。