高適配性無線智能貼片鎖的設計與實現

吳小安，宋楠，陳懋仁，丁元勛，季兆倫

（東南大學成賢學院，江蘇南京，210088）

智能鎖是近幾年隨著電子技術的發展而出現的，它可以通過鍵盤、IC 卡、指紋識別或其他感應方式開啟，使用方便，不僅能有效地防范技術性開鎖，而且通過軟件設置可以實現智能管理，同時電子鎖的互開率遠低于機械鎖，因此被廣泛應用于賓館、酒店、停車場、公共儲物柜等公共場合。目前市場上常見的電子鎖存在以下兩個問題∶(1)電子鎖采用市電供電，用戶需要針對它進行專門的電路布線以確保電子鎖的正常工作，因此普通家庭用戶難以實現簡捷安裝；(2)若老式小區的居民需要換鎖，需要大動干戈拆卸鎖，操作苦難，難于更新。

本系統在保留機械鎖功能與外觀尺寸的基礎上，實現了不用鑰匙即可開鎖的操作，即使用手機應用程序開鎖。鑰匙的識別和管理功能、引入了現場與遠程報警功能，并且通過電子技術解決了機械鎖芯高互開率的問題，利用機械鎖芯功能消除了普通電子鎖芯掉電后處于常開狀態的安全隱患。貼片鎖利用單片機的低功耗電壓的特性，將系統工作電壓降至5V，實現了鋰電池的供電，無需專門的電路布線。用戶無需拆卸門鎖即可簡便快捷地對普通機械鎖進行升級替換。

1 設計方案

圖1 無線智能貼片鎖系統框圖

貼片鎖的工作原理：用戶通過手機APP應用程序，連接安裝在貼片鎖的Wi—Fi模塊后，若發出開鎖或者關鎖的指令，Wi—Fi模塊接收到信號傳送給單片機，單片機進行處理后將數字信號發送給電機驅動模塊，從而使電機帶動機械結構達到開鎖的目的。圖1所示為無線智能貼片鎖系統框圖。其中電流檢測模塊是為了防止電機轉動力道過大而使鎖轉壞而設計的模塊，經過多次測試后，我們將電流閥值設置在0.3A，若電流大于此閥值，電流檢測模塊會立即使電機驅動模塊斷電，從而使機械結構停止轉動。

2 軟件設計

本項目軟件設計包括兩部分內容，一是基于Android系統的手機APP，二是單片機控制端程序。

手機APP起到為用戶與鎖之間橋梁的作用。安卓手機在智能鎖Wi—Fi覆蓋范圍內建立Wi—Fi連接后，可與智能鎖Wi—Fi模塊建立唯一、可靠、穩定、安全的Socket連接，并通過Socket連接傳輸可靠安全的數據。應用數據流程圖如圖2所示。

本應用是由Java語言編寫的，Android SDK編譯的，安卓手機安裝的APP。本應用通過安卓手機具備的Wi—Fi模塊，將設備與智能鎖硬件具備的Wi—Fi模塊建立Wi—Fi連接后，即可正常使用本APP。在智能鎖硬件中通過AT指令集預設可以建立Socket連接的IP地址與PORT端口號。在APP中分別鍵入后，通過RxAndroid異步加載數據，完成登錄功能。登錄后，在主頁面創建后建立Socket連接，智能鎖應用界面通過監聽器響應點擊事件，并將響應數據發送至緩存區。Socket獲取緩存區的內容，從Wi—Fi模塊發出初始化Socket連接時，Socket連接獲取輸入輸出流中的內容并通過RxAndroid異步控制，完成鎖的開關操作。

圖2 數據流程圖

單片機采用STC90C516D+來實現該目標，程序中調用AT指令集控制Wi—Fi模塊的啟動與接收信號，從而使單片機能夠接受到手機發送的信號。并通過控制IO口的高低電平來控制電機驅動模塊控制電機轉動，程序精簡，順序結構簡單。

3 硬件設計

無線智能貼片鎖的主要功能分為逆時針開門與順時針關門兩種。

無線智能貼片鎖由四節鋰電池串聯供電，主體由ESP8266與STC90C516D+單片機、L298N驅動、直流電機和電流檢測模塊。ESP8266接收手機傳輸的串口信號控制單片機上電掉電，L298N用于控制直流電機順逆時針轉向，電流檢測模塊用于檢測門鎖扭矩，當電流大于正常開鎖電流時，電機斷電，待重新收到上電信號時電機恢復工作，以及確保電路整體處于安全電流下。

3.1 L298N驅動電路

L298N驅動實物圖如圖3所示，L298N管腳功能表如表1所示。

圖3 L298N驅動圖

表1 L298N管腳功能表

實現逆時針與順時針關門，只需要控制直流電機的工作狀態，進行EN端，IN1，IN2電平配置。

3.2 ESP8266 Wi-Fi模塊

ESP8266模塊，每次單片機重新啟動時，Wi—Fi模塊處于待機狀態，單片機會向該模塊發送事先保存好的AT指令，使Wi—Fi模塊處于工作狀態。ESP8266 Wi—Fi模塊如圖4所示。

圖4 ESP8266 Wi—Fi模塊

3.3 電流檢測模塊

假設I2為截止工作電流，I1為正常工作電流。電流檢測模塊正常工作情況下，當被測電流大于I2，繼電器吸合；當被測電流小于I1，繼電器斷開。電流檢測模塊如圖5所示。

圖5 電流檢測模塊

3.4 機械結構設計

機械結構采用了圓柱體的結構，在圓柱體的上底面設計了一個正六邊形的凹槽，用來適配電機上的正六邊形金屬連接件，從而使電機能夠穩定地傳動圓柱體；在圓柱體的下底面設計了三種不同長度、寬度及深度的矩形狀凹槽，每一種矩形凹槽位置都與上底面的正六邊形凹槽的三條對角線一一對應，從而保證鑰匙的中軸線和電機的轉軸在一條直線上。因為市面上的鑰匙尺寸各異，所以下底面采用了三種不同的矩形狀凹槽設計，這三種不同規格的矩形狀凹槽可以適配市面上大多數的機械鎖鑰匙，提高了裝置的適配性及實用性。結構如圖6所示。

圖6 機械結構

用戶在安裝使用時無需對本系統進行專門的供電改造，只需要將此貼片鎖貼在傳統門鎖上即可方便快捷地實現鎖的升級替換。

4 實驗測試

本設計對無線智能貼片鎖成品進行了相應的電氣特性測量。系統正常工作時工作電壓為5V,待機時工作電流為30mA，開鎖關鎖時電機轉動電壓為12V，正常工作時電流不超過0.1A。

在程序設計中，為提高門鎖使用的安全性而增加了電流檢測裝置，當機械結構轉動過度時，系統會自動停止轉動。實際測量時開門時間約5s。假設每次正常開門時間為5s，一天開門10次，加上系統待機耗電，與系統配套的鋰電池可工作半年以上。

5 結語

本文基于STC90C516D+單片機和Wi—Fi技術，將傳統機械鎖與智能貼片鎖結合，集成并設計了一種一體化智能鎖。該鎖和普通機械鎖機械結構基本相同，從機械和電子兩個方面提高了鎖具的安全防范性能，同時增強了裝置的應用靈活度和擴展性。本文從應用需求和設計理念出發，介紹了無線智能貼片鎖的機械設計、單片機控制以及Wi—Fi模塊的基本原理，手機APP的實現過程，并給出了主電路重要部分的硬件結構框圖和軟件流程，成品尺寸測量與實驗測試證明無線智能貼片鎖有低功耗的電路系統，工作穩定可靠，為傳統機械鎖的升級提供了一種新方案。