基于Arduino的智能電子鎖的設計與實現

肖瑞虎，吳錚杰，肖 逸，阮 軍

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

伴隨著大型集成電路技術的日新月異，傳統機械鎖的便捷性和安全性面臨著巨大的挑戰，于是電子密碼鎖代替傳統機械鎖應運而生。電子密碼鎖克服了機械式密碼鎖密碼量少、安全性能差的缺點，且機械式鎖孔更容易被撬鎖，同時也增加了用戶攜帶鑰匙的負擔。如今，電子密碼鎖不論在技術上還是在性能上，都大大提高一步。微處理器在電子密碼鎖中的應用越來越廣泛，電子密碼鎖向智能化發展，帶微處理器的智能電子鎖在國內外市場上不斷出現，它除了具有電子密碼鎖的功能外，還具有智能化管理、報警、分析系統等功能，從而使電子密碼鎖具有很高的安全性、可靠性和極大的推廣價值。從國外市場來看，由于人們安防意識比較強，研發生產技術比較先進，管理機制和服務體系都比較完善，智能電子鎖的使用是比較廣泛的。在美國、日本等經濟發達國家，電子鎖已成為具有規模效益的重要產業。

從國內市場來看，智能電子鎖行業規模日益壯大，近幾年，各種新興品牌更是如雨后春筍般出現，不過這同時也導致國內電子鎖質量參差不齊，價格也從四五百到八九千不等，但功能上區分卻并不大。常見的解鎖方式有指紋解鎖、卡片解鎖、密碼解鎖、鑰匙解鎖，而APP解鎖是電子鎖產品的一道分界線，它又大致分為藍牙APP解鎖和4G網絡遠程解鎖2種。通常，價格在2 000元以下的、所謂的“APP遠程解鎖”，實為藍牙解鎖，不具備異地解鎖功能；而2 000元以上的電子鎖產品則為4G網絡解鎖，具備異地解鎖功能。從電子鎖行業整體水平來看，我國還是遠不達國際水平。作為智能電子鎖，四五百的價格顯然太低，質量堪憂，這也是一些企業盲目跟風，沒有核心競爭力，技術和外觀都日趨同質化的結果；八九千的價格無疑太高，普通家庭難以承擔。同時，現在很多智能鎖和門廠的設計相互都沒有貼合，這就導致智能鎖到門廠去需要經過比較復雜的安裝調試，進一步提高了安裝和銷售維護的成本。市面上的智能電子鎖功能雖然眾多，但產品穩定性較差，功能眾多意味著被攻克的可能性更大，損壞后不宜修理，返廠時間長。因此，研究一種價格低廉、可靠性高、體積較小、安裝簡單、開鎖方便的智能電子鎖顯得尤為必要。

1 詳細方案設計

目前，市場上的智能鎖主要以傳統執手型為主，開門需要手動擰門把手，而不是直接開門，當用戶手持東西時開門很不方便，給用戶帶來了較多的時間損失，因此我們設計的智能鎖采取推拉型，解鎖后鎖舌自動縮入，推門即入，省去了因雙手提物品之類的情況而難以空出雙手開門的麻煩。

市場上電子鎖外觀“出其”統一、質量好壞難辨、安裝條件麻煩，而且部分電子鎖還存在漏電現象，其用戶甚至需要每天更換一組電池，帶來了不必要的經濟損失，且嚴重污染環境。針對這一情況，我們采用了電控鎖和控制模塊相結合的辦法，將整個鎖體置于門內，對門的厚度無要求，且避免了外來人士對電子鎖有意或無意的破壞。供電上采取插頭供電和外置鉛蓄電池供電相結合的方式，在停電后會自動切換成電源箱供電，且能維持正常工作7～12 h，能有效避免因停電而開不了門的情況。

電子鎖主要包括3個部分，即解鎖工具端、信號通信端和處理響應端。手機、藍牙手環發出解鎖信號，編碼信號通過WiFi模塊、藍牙模塊、NFC模塊傳給Arduino單片機進行處理，然后單片機給鎖發出開鎖信號使鎖打開，實現基本功能。為了保證成本，鎖體采用電控門禁鎖。核心處理器件采用Arduino單片機，其優勢在于代碼開源，且功能強大，兼容性好，通過外接液晶顯示屏可實現可視化觸控操作。而解鎖工具端采用手機APP與藍牙手環相結合的方式。

1.1 總體框圖設計

電子鎖原理框圖如圖1所示，APP可通過與云服務器和鎖端的WiFi模塊遠程開鎖，也可以與藍牙手環一樣通過近距離藍牙配對來實現開鎖，同時，手環上可集成NFC芯片，實現超近距離非接觸開鎖。各種開鎖方式均操作簡單、方便快捷。

1.2 機械鎖功能設計

機械鎖由Arduino mega2560R3、傳感器、顯示器等幾部分構成。顯示器采用可觸摸屏幕設計，讓人們“隨點隨用”。屏幕主界面顯示有時間、藍牙、WiFi等信息，在這個界面，鎖端的無線連接信息一目了然。在屏幕無操作一段時間后，即會自動息屏，當有操作或鎖端接收信號時，會自動亮屏顯示信息。通過點擊設置圖標，彈出密碼驗證界面，驗證成功即可進入設置功能界面，點擊屏幕即可配置鎖端功能信息，比如打開/關閉藍牙和WiFi、綁定設備、修改密碼、添加/刪除門卡等。其中，門卡可以是任何帶有NFC芯片的卡片或設備，比如具有NFC功能的手機。

1.3 藍牙手環功能設計

藍牙手環由Arduino mega328p、藍牙模塊、鋰電池和2個物理開關組成，需要用手環解鎖時，只需事先將手環藍牙調至待匹配狀態，然后手環便會自動與鎖端藍牙相連。手環功能流程如圖2所示。

圖1 電子鎖原理框圖

2 程序設計

APP和鎖、手環之間的通信是通過藍牙和4G網絡實現的。在整個電子鎖系統中，APP遠程解鎖和手環藍牙解鎖是控制的主要方式和特點所在。

進入APP后，先找到對應的鎖，并輸入密碼，與鎖端實現一一對應。在輸入密碼的過程中，可點擊“記住密碼”，避免第二次輸入密碼所帶來的不便。根據輸入密碼的正確與否，決定是否進入控制界面，以實現對鎖端開關的控制。在彈出的二級界面中，可以顯示出鎖的開關狀態及獲取相應鎖端設備的mac地址；在此界面中，可以直接對鎖進行遠程開關操作，也可以在該界面點擊“藍牙開關”按鈕，進入藍牙配置子界面，使用藍牙實現對鎖端的控制（為備用解鎖途徑）。藍牙配置子界面可實現手機藍牙開關，搜索設備配對連接、開門，配置手環及手環匹配新鎖等功能。這樣，一個基本的移動端APP軟件控制就已實現其功能。APP功能流程如圖3所示。

3 實驗驗證和結果分析

在發送端與接收端互發信息的過程中，信息會受到各種因素的影響。為了判斷實驗結果的準確性和可靠性，進行了實驗驗證。在多次實地開鎖實驗過程中，電子鎖均表現良好，以下是具體結果和分析。

手機APP可存儲多個鎖端設備，開鎖時只需選擇相應的設備綁定即可，遠程開鎖十分快捷，可異地開鎖；在實現藍牙配對以后，點擊開鎖/關鎖，亦可實現鎖的開/關。

圖2 手環功能流程圖

圖3APP功能流程圖

藍牙手環可通過和鎖端藍牙配對來解鎖，解鎖時間為7～15 s，有效范圍為10 m以內。鎖端藍牙可同時連接7個設備，不會因為某個設備占用而導致其他家庭成員無法用藍牙開門，實現了“多環開一鎖”。若需更改手環能打開的鎖，只需將手環與手機藍牙配對，然后在APP上進行相應操作即可，實現了“一環開多鎖”。

表1 電子鎖參數表

鎖端可自行添加NFC門禁卡，比如手機的NFC、公交卡等，在鎖端的顯示屏上進行“添加門卡”操作后即可使用，免去多攜帶更多的卡，同時也可作為一次性開門鑰匙，給客人們使用。電子鎖成品的各項參數如表1所示。

4 結束語

本次設計的智能電子鎖系統改變了以往的機械鎖概念，用人們耳熟能詳的手機與手環代替傳統鑰匙來實現開鎖，符合自動化的趨勢。在功能上可以實現用一個手機APP管理多個手環和鎖，實現手環和鎖的多對多匹配；亦可任意添加/刪除門卡，作一次性鑰匙使用。在使用上，既方便、快捷又靈巧、安全。與市面上其他電子鎖相比，我們設計的電子鎖既有可以與之匹敵的功能，又可兼顧安全性，避免了一些電子鎖由于設計及缺陷而存在的一些漏電現象。用戶可在手機APP端自由查看門鎖的狀態，同時與傳統的智能電子鎖相比，成本大幅度降低，給消費者一個在選購鎖方面更加優質的選擇。

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