一種新型智能安全鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王安義，楊長(zhǎng)江

(西安科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，陜西 西安 7100554)

一種新型智能安全鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王安義，楊長(zhǎng)江

(西安科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，陜西 西安7100554)

針對(duì)通信行業(yè)機(jī)柜設(shè)備保護(hù)和管理，設(shè)計(jì)一款新型的集開(kāi)鎖、報(bào)警、監(jiān)控和區(qū)域化管理為一體的綜合系統(tǒng)。在通過(guò)分析智能鎖技術(shù)的硬件和軟件的基礎(chǔ)上，提出了一種新型智能安全鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。探討了智能鎖系統(tǒng)工作的基本原理，并詳細(xì)分析了新型智能鎖系統(tǒng)的各個(gè)功能及如何實(shí)現(xiàn)。該智能安全鎖系統(tǒng)將為后續(xù)通信、電力行業(yè)機(jī)柜設(shè)備的保護(hù)和管理提供有力的幫助。

Web前端；App終端；報(bào)警；監(jiān)控；管理；智能鎖系統(tǒng)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，人們的安防意識(shí)在不斷提高[1]，通信行業(yè)飛速發(fā)展，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商對(duì)機(jī)柜設(shè)備的安全意識(shí)也在逐步提升，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖在保護(hù)設(shè)備安全上已經(jīng)顯得很吃力，急迫需求一款能夠智能保護(hù)和管理機(jī)柜設(shè)備安全的智能鎖系統(tǒng)。市場(chǎng)上存在各種各樣的智能防盜鎖，隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了磁控鎖、聲控鎖、紅外線鎖、電磁波鎖、電子卡片鎖等一系列的智能鎖，它們廣泛應(yīng)用于賓館、停車場(chǎng)、樓宇住宅等公共場(chǎng)所[2]。這些智能鎖都是獨(dú)立型的智能鎖，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)功能單一，單獨(dú)工作只能被動(dòng)地防盜，安全因素不高；(2)不能實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)報(bào)警，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)控所有鎖具情況；(3)不能互聯(lián)統(tǒng)一管理，缺少同時(shí)兼顧遠(yuǎn)程和近端無(wú)線開(kāi)鎖功能。基于以上問(wèn)題，提出一種能夠集遠(yuǎn)程和近端同時(shí)開(kāi)鎖的解決方案，根據(jù)該方案設(shè)計(jì)一款具有統(tǒng)一化管理的新型智能安全鎖系統(tǒng)；該系統(tǒng)對(duì)鎖實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一編碼，通過(guò)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和近端(應(yīng)急)開(kāi)鎖，具有發(fā)現(xiàn)異常立刻報(bào)警并及時(shí)推送報(bào)警消息的功能。該系統(tǒng)將鎖互聯(lián)互通，使其形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，為今后機(jī)柜設(shè)備安全提供有力的保障。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

新型智能安全鎖是基于物聯(lián)網(wǎng)思想，要將所有鎖互聯(lián)并管理，必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接搭橋，考慮到經(jīng)濟(jì)與實(shí)際問(wèn)題，選用SIM900A實(shí)現(xiàn)硬件和軟件間的網(wǎng)絡(luò)通信；為了方便工作人員隨時(shí)隨地開(kāi)鎖，突破傳統(tǒng)的短距離通信，研發(fā)一款手機(jī)終端應(yīng)用(App)，這樣無(wú)論用戶在何處，只要有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)零距離操作；對(duì)鎖的控制選用MSP430單片機(jī)，它具有低功耗、豐富的片上資源等優(yōu)勢(shì)，完全可以滿足對(duì)硬件設(shè)備的控制。基于以上設(shè)計(jì)思路，可得出智能鎖安全系統(tǒng)由客戶端(網(wǎng)頁(yè)和智能終端)、硬件層和服務(wù)器層構(gòu)成。新型智能安全鎖系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能鎖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)構(gòu)成

智能鎖硬件系統(tǒng)是由MSP430F149單片機(jī)及紅外模塊、ESP8266WiFi模塊和SIM900A移動(dòng)通信模塊構(gòu)成的一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能鎖硬件系統(tǒng)。硬件層整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件層結(jié)構(gòu)框圖

2.2硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

MSP430F149單片機(jī)作為硬件層的核心控制器，是一種新型的混合信號(hào)處理器，具有更方便高效的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，還有靈活的時(shí)鐘源、中斷源[3]，兩通道串行通信接口及豐富的硬件資源可滿足對(duì)外圍設(shè)備的控制。SIM900A作為一個(gè)橋梁，它連接著遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)，兩者之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[4]，單片機(jī)通過(guò)串口向SIM900A發(fā)送AT指令[5]，同時(shí)通過(guò)串口接收來(lái)自SIM900A的指令，并進(jìn)行解析，從而驅(qū)動(dòng)電子鎖和報(bào)警裝置；與服務(wù)器之間通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)相應(yīng)的指令進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息，更新用戶端；當(dāng)監(jiān)測(cè)到鎖端有異常時(shí)，通過(guò)信號(hào)線立刻將信號(hào)反饋給主核心控制器，核心控制器將反饋的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送至SIM900A[5]，最終消息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)反饋給服務(wù)器端，此時(shí)Web前端和手機(jī)終端也會(huì)收到來(lái)自服務(wù)器的報(bào)警消息，并及時(shí)通知相關(guān)工作人員進(jìn)行阻止。

3 模塊間通信接口設(shè)計(jì)

3.1用戶層與服務(wù)器間通信接口設(shè)計(jì)

圖3 用戶層與服務(wù)器間通信流圖

在系統(tǒng)中，用戶層和服務(wù)器層的通信交互是最為頻繁的，因此其設(shè)計(jì)必須有多個(gè)接口，或者采用線程池的方法，滿足多個(gè)用戶同時(shí)交互。本設(shè)計(jì)中采用多個(gè)接口開(kāi)啟后臺(tái)Service服務(wù)線程并發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)交互，其通信基本流圖如圖3所示。

用戶層和服務(wù)器之間采用超文本傳輸協(xié)議(HyperText Transfer Protocol,HTTP)進(jìn)行通信，用戶端使用Android平臺(tái)，該平臺(tái)封裝了HTTP協(xié)議，在設(shè)計(jì)接口時(shí)，里面應(yīng)包含反饋?zhàn)址D片等數(shù)據(jù)，接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 用戶層與服務(wù)器間接口設(shè)計(jì)圖

3.2應(yīng)用層通信接口設(shè)計(jì)

主控制器與SIM900A之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，主控制器與SIM900A之間的通信有自己的通信協(xié)議；為了確保通信的正確性，應(yīng)用層將與服務(wù)器之間互相確認(rèn)才可以進(jìn)行通信，應(yīng)用層通信的基本流圖如5所示。

圖5 應(yīng)用層間通信流圖

通過(guò)發(fā)送和接收函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式驗(yàn)證，符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)存放在臨時(shí)指針數(shù)組中，方便核心控制器尋找，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，接口實(shí)現(xiàn)函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)用層接口設(shè)計(jì)圖

3.3服務(wù)器層與應(yīng)用層通信接口設(shè)計(jì)

服務(wù)器層和應(yīng)用層之間通過(guò)無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，SIM900A作為遠(yuǎn)程通信的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。服務(wù)器層與應(yīng)用層之間也是通過(guò)HTTP協(xié)議通信，服務(wù)器和應(yīng)用層之間通信的基本流圖如圖7所示。

圖7 服務(wù)器和應(yīng)用層之間通信的基本流圖

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接口中應(yīng)包括接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，必須有數(shù)據(jù)格式檢驗(yàn)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)無(wú)線收發(fā)模塊的接口函數(shù)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 服務(wù)器和應(yīng)用層之間的通信接口圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能安全鎖系統(tǒng)的軟件包括單片機(jī)控制軟件、Web前端網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、手機(jī)終端App。它們之間通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互，克服以往無(wú)法遠(yuǎn)距離通信的缺點(diǎn)，使硬件和軟件形成一個(gè)相互的整體。

4.1用戶注冊(cè)和登錄

通過(guò)注冊(cè)，驗(yàn)證身份合法性，若合法則可登錄用戶端。進(jìn)入主頁(yè)面，秉著分權(quán)分域的原則，每個(gè)設(shè)備管理員只能看到自己管轄的基站數(shù)目和位置等信息。登錄注冊(cè)的流程圖如圖9所示。

圖9 登錄注冊(cè)的流程圖

4.2用戶開(kāi)鎖

為了開(kāi)鎖簡(jiǎn)單方便，通過(guò)點(diǎn)擊列表上的按鈕即可進(jìn)行開(kāi)鎖，該過(guò)程是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)包格式如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)包格式圖

用戶端將消息打包發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的信息進(jìn)行解析，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)將對(duì)應(yīng)的鎖打開(kāi)，并反饋用戶終端開(kāi)鎖成功，開(kāi)鎖流程圖如圖11所示。

圖11 開(kāi)鎖流程圖

4.3消息推送

用Notification代替以往的短信提示，節(jié)省了費(fèi)用，縮短了消息推送的時(shí)間。消息推送機(jī)制是通過(guò)Notification和Service完成的。Service是Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中一個(gè)重要的組成部分，它是一個(gè)沒(méi)有界面的組件，主要功能是為Activity程序提供一些必要的支持，一旦啟動(dòng)Service，它將一直在系統(tǒng)的后臺(tái)運(yùn)行，除非在程序中關(guān)閉該功能[6]。將Notification綁定在Service上，在Service內(nèi)創(chuàng)建線程并設(shè)定訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)間間隔，讓其持續(xù)訪問(wèn)服務(wù)器，達(dá)到即時(shí)接收即時(shí)發(fā)送的目的。為了方便查詢，將開(kāi)鎖和異常報(bào)警消息實(shí)時(shí)存入Android系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中。消息推送流程圖如圖12所示。

圖12 消息推送流程圖

4.4Web前端

以往的智能鎖都是以單個(gè)形式出現(xiàn)的，并沒(méi)有互聯(lián)互通，管理起來(lái)比較困難。本系統(tǒng)中，Web網(wǎng)頁(yè)管理系統(tǒng)擺脫以往智能鎖之間無(wú)聯(lián)系和無(wú)管理的困擾，它將整個(gè)區(qū)域的鎖全部管理并關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)分權(quán)分域，區(qū)域化管理。分權(quán)分域使得對(duì)鎖的管理更有序，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂，也降低了服務(wù)器數(shù)據(jù)的承受壓力，這樣既節(jié)省人力、物力，又節(jié)省了時(shí)間，工作人員管理起來(lái)更方便，極大地提高了管理效率和設(shè)備的安全性。Web前端是集開(kāi)鎖和管理的綜合性網(wǎng)頁(yè)界面，運(yùn)用超級(jí)文本標(biāo)記語(yǔ)言(HyperText Markup Language,HTML)和層疊樣式表(Cascading Style Sheets,CSS)設(shè)計(jì)界面，應(yīng)用Tomcat服務(wù)器進(jìn)行管理并搭載MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理，運(yùn)用Java服務(wù)器頁(yè)面(Java Server Pages,JSP)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)和服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)間的交互。

4.5單片機(jī)軟件

單片機(jī)的軟件系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)硬件的關(guān)鍵，整個(gè)過(guò)程就是對(duì)AT指令的解析并將解析后的消息進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。充分利用MSP430的各個(gè)資源，提高代碼的運(yùn)行效率，減少對(duì)通信的延遲；單片機(jī)軟件系統(tǒng)采用輪詢檢測(cè)服務(wù)器是否發(fā)送開(kāi)門信息的機(jī)制，讓消息和指令能夠及時(shí)被檢測(cè)到，從而達(dá)到即時(shí)的效果。當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到開(kāi)門信息，而紅外模塊檢測(cè)到開(kāi)門信息時(shí)，則發(fā)送報(bào)警信息給服務(wù)器，然后重置報(bào)警信息，軟件再回到輪詢檢測(cè)服務(wù)器狀態(tài)。流程如圖13所示。

圖13 單片機(jī)軟件工作流程圖

5 測(cè)試和應(yīng)用

測(cè)試該系統(tǒng)分為兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)試，首先是硬件系統(tǒng)的本身耐高溫性，炎熱的夏天該系統(tǒng)能否在溫度超高的機(jī)柜內(nèi)正常工作是非常關(guān)鍵的；其次是實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的各個(gè)功能。模擬高溫場(chǎng)景，用吹風(fēng)機(jī)高溫風(fēng)不間斷地向硬件系統(tǒng)吹風(fēng)，通過(guò)黑盒子測(cè)試，對(duì)硬件系統(tǒng)的各個(gè)功能測(cè)試如表1所示；對(duì)系統(tǒng)的軟件各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果是系統(tǒng)正常運(yùn)行，各個(gè)功能完全符合預(yù)期。對(duì)該系統(tǒng)的整個(gè)功能測(cè)試完后，發(fā)現(xiàn)單個(gè)系統(tǒng)能夠完全正常工作，為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，今后將在鎖的并發(fā)性方面做努力，使完全達(dá)到應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 硬件功能測(cè)試

6 結(jié)論

本文基于GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了一種新型的智能安全鎖系統(tǒng)，利用MSP430單片機(jī)作為鎖端核心控制器，通過(guò)SIM900A將消息發(fā)送至公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的通信；通過(guò)PC端進(jìn)行鎖的區(qū)域管理和數(shù)據(jù)庫(kù)基本操作，手機(jī)終端App進(jìn)行遠(yuǎn)程和近端(應(yīng)急)開(kāi)鎖、消息推送，并實(shí)時(shí)將開(kāi)鎖的記錄和報(bào)警的消息保存在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便查詢。本文從功能需求和設(shè)計(jì)理念出發(fā)，詳細(xì)地介紹了智能鎖系統(tǒng)的基本工作原理，并給出了系統(tǒng)框圖和軟件流程圖，講述了系統(tǒng)各個(gè)功能特點(diǎn)。本系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)、電信、聯(lián)通三家運(yùn)營(yíng)商通用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠正常工作，是一款適合基站區(qū)域管理和家庭安防局域智能化的重要系統(tǒng)。從此，在傳統(tǒng)的智能鎖上有了質(zhì)的飛躍和改進(jìn)，為以后智能鎖的發(fā)展創(chuàng)造有力的保證。

[1] 郭晨,孫曉冬,房大偉，等.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能電子鎖芯無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2014,14(1):22-28.

[2] 楊世恩.智能電子門禁系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2011，44(5):68-70.

[3] 劉亞利,敬嵐,喬衛(wèi)民，等.基于MSP430F149型單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,27(6):1062-1064.

[4] 王磊,王軍.基于SIM900A的嵌入式遠(yuǎn)程家電控制器設(shè)計(jì)[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2014,27(1):76-80.

[5] SIM Technology. SIM900 AT Command Manual V1.03[Z]. 2010.

[6] 李剛.瘋狂Android 講義[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

2017-04-26)

王安義(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向：TD-SCDMA以及TD-LTE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

楊長(zhǎng)江(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。E-mail:charliyang@foxmail.com。

Design of a new type of intelligent system for security lock

Wang Anyi, Yang Changjiang

(College of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

Aiming at cabinet equipment protection and management in communication industry, a new type of integrated system has been designed in a set of lock, alarm,monitoring,and regional management.Through analysing the hardware and software of intelligent lock technology,a new solution of intelligent safety lock system for a cabinet equipment is proposed.The basic principles of intelligent lock system in working are investigated,and the each function of the new intelligent lock system and how to implement them are analysed in detail.The intelligent safety lock system can provide powerful help for subsequent communication, cabinet equipment protection and management in electric power industry.

Web front-end;the terminal App;alarming;monitoring;management;intelligent lock system

TN97+2;TN915.41

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.022

王安義，楊長(zhǎng)江.一種新型智能安全鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(22)：83-86,98.