基于單片機(jī)的智能藍(lán)牙門鎖設(shè)計(jì)

(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

引言

智能藍(lán)牙門鎖技術(shù)是一種性能優(yōu)越、使用便捷的無線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)與語音的無線傳輸。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們消費(fèi)意識(shí)的變化，從傳統(tǒng)的“機(jī)械鎖”到“電子鎖”，再“傳統(tǒng)智能鎖”到“互聯(lián)網(wǎng)智能鎖”，機(jī)械鎖或?qū)⒅饾u退出歷史的舞臺(tái)，未來將是電子鎖、智能鎖與互聯(lián)網(wǎng)智能鎖同臺(tái)競(jìng)技。本文闡述的是一款通過手機(jī)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制門鎖的智能設(shè)備，其在人們的生活生產(chǎn)中扮演著重要的角色，極大提高人們的生活水平。

一、芯片介紹

智能藍(lán)牙門鎖采用TLSR 8266低功耗芯片，它可以實(shí)現(xiàn)和藍(lán)牙連接筆記本、手機(jī)等設(shè)備，同時(shí)它還支持slave和master操作，可提供高集成度、低功耗的功能。其具有32位高性能的MCU，時(shí)鐘可高達(dá)48MHz，符合藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)，支持1Mbps和2.4GHz 2Mbps速率模式，程序存儲(chǔ)器為512KB FLASH，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為16KB SRAM，豐富的IO接口讓它可同時(shí)具備多種功能，如：調(diào)試接口、單聲道音頻輸出、USB、豐富的GPIO接口等等。廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)配件、無線麥克風(fēng)、健康檢測(cè)以及穿戴設(shè)備中。

二、藍(lán)牙系統(tǒng)組成

(一)無線射頻單元。RFID系統(tǒng)由讀寫器和射頻標(biāo)簽組成，讀寫器具有數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收、接收射頻模塊傳輸?shù)男盘?hào)、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的功能，射頻標(biāo)簽具有一定容量的存儲(chǔ)器、維護(hù)對(duì)識(shí)別對(duì)象的識(shí)別及相關(guān)信息的完整功能[1]。其特點(diǎn)是短距離、低功耗。

(二)鏈路控制單元。鏈路控制單元鏈路類型決定何種分組模式能在特定的鏈路上使用。藍(lán)牙基帶技術(shù)支持基于同步的連接SCO(原來用于話音)非同步連接類型ACL(原用于分組數(shù)據(jù))這兩種類型[2]。鏈路控制單元進(jìn)行射頻信號(hào)與數(shù)字或語音信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基帶協(xié)議和其它的底層連接規(guī)程。

(三)鏈路管理單元。鏈路管理單元攜帶了鏈路的鑒權(quán)、硬件配置、數(shù)據(jù)設(shè)置以及其他協(xié)議，能夠發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端管理單元并通過鏈路管理協(xié)議與之通信[3]。其本質(zhì)是負(fù)責(zé)管理藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)鏈路的配置、建立、連接和驗(yàn)證等操作。

三、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)構(gòu)成。藍(lán)牙智能門鎖主要由用戶模式下APP客戶端、藍(lán)牙通信模塊、以及單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制電路組成。單片機(jī)通過控制繼電器來操控開鎖以及接收密碼的輸入指令。藍(lán)牙智能門鎖工作原理：用戶先通過藍(lán)牙進(jìn)行搜索，讓其與門鎖的藍(lán)牙進(jìn)行匹配，若已匹配成功，會(huì)顯示手機(jī)與智能門鎖已建立起了有效的連接。接著，用戶通過輸入密碼，密碼通過藍(lán)牙傳送給門鎖的藍(lán)牙模塊，進(jìn)而將密碼傳送給單片機(jī)。單片機(jī)將接收到的密碼和預(yù)先設(shè)定的開鎖密碼進(jìn)行比較，若兩者的密碼完全匹配則可將鎖打開，否則不能開鎖。用戶界面同時(shí)可以顯示圖形界面鎖、自定義添加藍(lán)牙設(shè)備以及開鎖記錄。

(二)技術(shù)原理。在現(xiàn)代電子通信領(lǐng)域中，相比機(jī)械式門鎖，人們傾向于更加智能化的設(shè)備，這些設(shè)備克服性能欠佳的缺點(diǎn)，使智能藍(lán)牙設(shè)備快速迅猛的發(fā)展。隨著各種芯片和集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)，特別是以單片機(jī)為主導(dǎo)智能設(shè)備，它具備智能解鎖、反饋用戶信息以及實(shí)時(shí)與用戶通信的功能。它以TLSR8266低功耗芯片作為核心模塊，并加上降壓穩(wěn)壓電路、AD電壓等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)密碼的正確匹配、信息傳遞以及識(shí)別和顯示功能，用戶界面內(nèi)輸入的密碼用于和單片機(jī)里事先設(shè)定好的密碼進(jìn)行匹配，若匹配成功，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開鎖，否則用戶需要重新使用密碼，最多允許錯(cuò)誤4次，一旦超過上限則需要等待一定的時(shí)間才能進(jìn)行下次密碼輸入操作[4]。

四、軟件設(shè)計(jì)

(一)通信設(shè)計(jì)。智能藍(lán)牙系統(tǒng)中軟件采用C語言進(jìn)行編程，Keil 軟件進(jìn)行調(diào)試、編譯，用戶界面通過手動(dòng)添加或藍(lán)牙自動(dòng)搜索兩種方式與智能門鎖的藍(lán)牙系統(tǒng)進(jìn)行匹配，在匹配成功后，用戶界面顯示已連接狀態(tài)，單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行串口中斷模式。將來自用戶輸入的密碼和單片機(jī)里事先設(shè)定好的密碼進(jìn)行匹配，若密碼輸入正確，可進(jìn)行界面鎖設(shè)置和用戶密碼鎖的設(shè)定，界面鎖可以以圖案和數(shù)字的方式進(jìn)行設(shè)定。若為數(shù)字密碼，則最多設(shè)置10位設(shè)置密碼，圖案鎖在井字格中進(jìn)行設(shè)置，若密碼錯(cuò)誤四次則需要等待一定的時(shí)間進(jìn)行再次開鎖。

(二)通信協(xié)議。本系統(tǒng)中的通信協(xié)議使計(jì)算機(jī)之間能夠進(jìn)行相互會(huì)話，通信協(xié)議同時(shí)具有可靠性、實(shí)時(shí)性和層次性，在用戶方和智能藍(lán)牙門鎖間使用幀進(jìn)行通信，傳輸過程中經(jīng)歷封裝成幀、差錯(cuò)檢測(cè)和可靠傳輸三大環(huán)節(jié)，其中通信幀固定為16個(gè)字節(jié)，除有效的指令和數(shù)據(jù)之外，剩余部分可以填充任意數(shù)據(jù)[5]。發(fā)送者經(jīng)過預(yù)處理搭載在載體上傳輸給接收方，接收方則需要再處理還原為原始數(shù)據(jù)完成通信協(xié)議。

五、硬件設(shè)計(jì)

門鎖采用兩節(jié)5號(hào)電池進(jìn)行供電，安裝方便，更換容易。同時(shí)，門鎖使用AD電壓檢測(cè)，檢測(cè)電池電壓是否下降到已設(shè)定的低電壓2.2V，當(dāng)電壓下降到2.2V時(shí)，門鎖向手機(jī)APP發(fā)送消息提示智能鎖電池電量過低。為防止電池電量耗盡而出現(xiàn)無法開鎖的情況，系統(tǒng)另留有Micro USB接口，用戶可以使用充電寶等給門鎖供電實(shí)現(xiàn)開鎖。

只有電池供電的情況下，PMOS管截止，輸入電壓經(jīng)D2降壓后，輸入到降壓穩(wěn)壓電路，D2采用肖特基二極管，導(dǎo)通壓降約為0.3V；只有USB供電的情況下，PMOS管導(dǎo)通，D2用于防止USB接口通過電阻R2消耗電能:兩者同時(shí)存在時(shí)，PMOS管截止，電池輸入電壓經(jīng)D2降壓后，給后級(jí)電路供電。A1與A2的高低電平狀態(tài)決定電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而決定藍(lán)牙智能鎖的開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)，若A1與A2同時(shí)為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)開鎖操作，若A1與A2同時(shí)為低電平時(shí)則不驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖操作，并設(shè)置一個(gè)輸出端，用于檢測(cè)鎖是否處于開啟狀態(tài)。

六、結(jié)語

本文利用手機(jī)的藍(lán)牙通信功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)開啟的智能門鎖。在系統(tǒng)中，手機(jī)APP用來輸入開鎖的密碼，藍(lán)牙通信用來建立手機(jī)和智能門鎖間的信息通道，使手機(jī)成為了開鎖的鑰匙，更加方便快捷。通過手機(jī)就可以控制門鎖的開啟，為生活的智能化增添了新的體驗(yàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。