基于物聯(lián)網(wǎng)的無線智能鎖設(shè)計與實現(xiàn)

朱啟文

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們已不滿足于使用普通的家居，這使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷地滲透到人們的日常生活和工作中，促進(jìn)了無線智能鎖的發(fā)展。計算機技術(shù)+物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)是無線智能鎖創(chuàng)造的基礎(chǔ)，無線智能鎖的誕生為未來人們普遍使用智能化家居奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);無線智能鎖;設(shè)計;實現(xiàn)

1物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。早在1985年P(guān)ETERTL提出了這個概念。1995年比爾·蓋茨出版的《未來之路》一書中提及物互聯(lián)。1999年，在物品編碼技術(shù)上Auto-ID公司提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。2005-11-17，世界信息峰會上，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告：物聯(lián)網(wǎng)》，預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨。

2無線智能鎖系統(tǒng)架構(gòu)

無線智能鎖系統(tǒng)主要是由電子鎖、智能化模組、通信系統(tǒng)、移動終端和云服務(wù)系統(tǒng)組成。云服務(wù)系統(tǒng)是智能門鎖的核心系統(tǒng)，包括應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器和安全機制。云服務(wù)系統(tǒng)為智能門鎖和移動客戶端提供用戶權(quán)限管理、身份鑒別、數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)增值等服務(wù)。用戶通過云服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)對鎖的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程視頻、遠(yuǎn)程語音和遠(yuǎn)程授權(quán)等，云服務(wù)系統(tǒng)對用戶操作進(jìn)行鑒權(quán)、安全審計，并對鎖的狀態(tài)和報警信息進(jìn)行監(jiān)控記錄。

無線智能鎖通過多種通訊方式連接智能云端系統(tǒng)。一種方式是，智能門鎖通過ZigBee、BLE等低功耗通訊協(xié)議連接智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再連接WIFI進(jìn)入Internet訪問云服務(wù)系統(tǒng)。另一種方式是，智能門鎖系統(tǒng)通過自帶的WIFI模塊連接云端，這種方式對電池容量有較高要求。最后一種方式是通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)4G/5G/NB-IOT接入互聯(lián)網(wǎng)訪問云服務(wù)器系統(tǒng)。智能化模組是智能門鎖系統(tǒng)中最能體現(xiàn)智能化的部分，用戶通過智能化模組可以直觀的感受智能門鎖的便利性和智能性。常用的智能化模組包括智能貓眼、人臉識別、虹膜識別、指紋識別、語音智能等。電子鎖主要包括機械鎖、嵌入式系統(tǒng)和集成模塊，這部分主要實現(xiàn)門鎖的機械功能。移動客戶端主要作用是方便用戶通過移動終端設(shè)備（如手機、PAD等）直接操控智能門鎖，例如：遠(yuǎn)程開鎖、遠(yuǎn)程語音視頻、開鎖記錄、臨時密碼授權(quán)等服務(wù)。無線智能鎖的使用場景如下：用戶使用移動終端App獲取開鎖憑據(jù)，通過移動App，或者用戶輸入密碼，或者對用戶進(jìn)行生物特征信息驗證后，從智能門鎖云服務(wù)系統(tǒng)獲取一個動態(tài)開鎖密鑰，或者是訪問鎖設(shè)備中安全存儲的開鎖鑰匙，并通過近場通訊協(xié)議與智能門鎖進(jìn)行交互和驗證后，控制開鎖。無線智能鎖是一個由門鎖、網(wǎng)關(guān)、路由器、云平臺以及移動終端構(gòu)成的一個“生態(tài)”系統(tǒng)。該系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)漏洞，或者數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲與解析，都有可能對消費者帶來極大的人身和財產(chǎn)安全風(fēng)險。因此對智能門鎖系統(tǒng)開展信息安全研究迫在眉睫。

3無線智能門鎖設(shè)計

3.1電路設(shè)計

3.2智能門鎖的程序設(shè)計

利用手機開啟的智能門鎖系統(tǒng)中的程序部分實現(xiàn)的功能主要有：（1）把手機APP中輸入的密碼通過藍(lán)牙傳輸給單片機;（2）單片機對藍(lán)牙通信模塊接收到信息的處理;（3）手機端開鎖APP的設(shè)計。智能門鎖系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

其中，對于手機和單片機的信息傳輸問題，需要預(yù)先設(shè)置通訊指令的具體傳輸格式，然后把指令的格式在手機端和單片機端的通信程序中編程實現(xiàn)。手機和智能門鎖的單片機之間的通信需要按照藍(lán)牙的通信協(xié)議要求進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)通信協(xié)議的要求，通信的字符串格式設(shè)定為：起始碼+本機地址+目標(biāo)地址+控制代碼+數(shù)據(jù)長度+結(jié)束碼+數(shù)據(jù)+結(jié)束位+結(jié)束碼，手機和單片機的通信數(shù)據(jù)按此格式進(jìn)行編程。按照協(xié)議的要求，通信用的字符串設(shè)置如下：起始碼設(shè)為

“W”;串口的公共地址設(shè)為“00”;本機的地址設(shè)置為“D1”;對與不同的設(shè)備需要設(shè)置不同的控制碼，在該系統(tǒng)中的控制代碼設(shè)置為“D”;由于只對門鎖進(jìn)行開啟操作，數(shù)據(jù)有1位就夠用了，因此數(shù)據(jù)長度設(shè)為“01”;對于需要傳送的具體數(shù)據(jù)來說，開鎖設(shè)置為“1”，關(guān)鎖設(shè)置為“2”;數(shù)字鍵9為“9”，功能按鍵中的確認(rèn)鍵設(shè)置為“a”;字符串的結(jié)束位設(shè)置為“S”;而字符串的結(jié)束碼為“#”號;按此規(guī)則設(shè)置藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)的格式，傳送數(shù)字“9”的字符串就設(shè)置為：W00D1D01S9#;而確認(rèn)鍵的指令設(shè)置為：W00D1D01Sa#。在按照通信協(xié)議對相關(guān)指令的字符串預(yù)設(shè)完成后，當(dāng)在手機APP上點擊任一按鈕后，手機就會向智能門鎖的藍(lán)牙模塊發(fā)送相應(yīng)的字符串;單片機會根據(jù)預(yù)設(shè)的通信協(xié)議對字符串進(jìn)行解析和判讀，從解析后的數(shù)據(jù)中獲得地址、控制代碼和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)采取對應(yīng)操作。

4未來發(fā)展趨勢

隨著5G技術(shù)開始商用，網(wǎng)絡(luò)速度不斷提升，給智能門鎖在通信、管理、數(shù)據(jù)同步等方面帶來直接的作用;人工智能等新技術(shù)的繁榮和發(fā)展也將為智能產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展思路和前景;云計算等內(nèi)容收集和存儲功能會賦予智能門鎖更加豐富的功能和作用。未來，智能門鎖如何接入智慧社區(qū)、智慧城市，如何納入更加廣闊的智慧生活行業(yè)，形成相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將成為新的研究議題，并不斷推動該行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。

（1）互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖，是利用無線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過手機GSM通信、藍(lán)牙、WiFi等無線信號實現(xiàn)門鎖與手機或遙控的連接完成開鎖，一般支持iOS或Android手機系統(tǒng)，甚至可以與智能手表配合使用。一般由終端設(shè)備、集中控制器、門鎖、無線充電的發(fā)射模塊等物理設(shè)備組成。互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程、選客開門。即通過互聯(lián)網(wǎng)生成“虛擬鑰匙”，由用戶選擇特定的時間或人打開房門。當(dāng)門被開啟或關(guān)上時，互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖還會將信息及時反饋給用戶;當(dāng)有人試圖打開門鎖時，用戶可以實時獲得通知，確保家居安全。此外，互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖還會配合攝像頭使用，將安防做得更精細(xì)。當(dāng)然，互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖也有一定的弊端，如手機GSM通信的智能門鎖受網(wǎng)絡(luò)信號影響較大，而藍(lán)牙連接的智能門鎖則具有一定的距離限制，因此用戶在選擇時也需要辨別考慮。但據(jù)天貓平臺銷售數(shù)據(jù)顯示，目前智能門鎖銷售位居前50位的大都屬于互聯(lián)網(wǎng)智能門鎖，因此其也具有一定的市場響應(yīng)度。

（2）門禁卡類的智能門鎖是利用計算機技術(shù)、電子技術(shù)、精密電磁技術(shù)、智能卡技術(shù)來實現(xiàn)對用戶的身份識別，并控制機械門鎖的開合，常用的有磁卡、頻射卡等。其核心技術(shù)為電磁感應(yīng)，即感應(yīng)器中的初級線圈，與感應(yīng)卡中的次級線圈靠近時，耦合產(chǎn)生電流，并通過電磁信號完成開門。由于此類智能鎖不需要與門鎖直接接觸，具有較高的安全系數(shù)，且通常采用塑料材質(zhì)，造價較低，因此擁有一定的市場保有量。

5結(jié)語：隨著現(xiàn)代化快節(jié)奏的生活，人們出于便攜原因，使用虛擬鑰匙開啟各類智能鎖逐漸成為主流。因此，在以后的無線智能鎖升級版本中，可以采用模塊化方式添加更多的生物識別、搖一搖等方式，不斷提升人們的生活質(zhì)量。同時，也可豐富其功能變成智能社區(qū)管理平臺、智能公寓租賃平臺、物流傳輸管理平臺等。

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