基于單片機的智能藍牙門鎖設計

(西南石油大學 四川 成都 610500)

引言

智能藍牙門鎖技術是一種性能優越、使用便捷的無線技術，能夠實現數據與語音的無線傳輸。伴隨著物聯網的發展，人們消費意識的變化，從傳統的“機械鎖”到“電子鎖”，再“傳統智能鎖”到“互聯網智能鎖”，機械鎖或將逐漸退出歷史的舞臺，未來將是電子鎖、智能鎖與互聯網智能鎖同臺競技。本文闡述的是一款通過手機藍牙遠程控制門鎖的智能設備，其在人們的生活生產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

智能藍牙門鎖采用TLSR 8266低功耗芯片，它可以實現和藍牙連接筆記本、手機等設備，同時它還支持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，時鐘可高達48MHz，符合藍牙4.0標準，支持1Mbps和2.4GHz 2Mbps速率模式，程序存儲器為512KB FLASH，數據存儲器為16KB SRAM，豐富的IO接口讓它可同時具備多種功能，如：調試接口、單聲道音頻輸出、USB、豐富的GPIO接口等等。廣泛應用于智能手機配件、無線麥克風、健康檢測以及穿戴設備中。

二、藍牙系統組成

(一)無線射頻單元。RFID系統由讀寫器和射頻標簽組成，讀寫器具有數據信息的發送與接收、接收射頻模塊傳輸的信號、與計算機進行通信的功能，射頻標簽具有一定容量的存儲器、維護對識別對象的識別及相關信息的完整功能[1]。其特點是短距離、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。藍牙基帶技術支持基于同步的連接SCO(原來用于話音)非同步連接類型ACL(原用于分組數據)這兩種類型[2]。鏈路控制單元進行射頻信號與數字或語音信號的相互轉化，實現基帶協議和其它的底層連接規程。

(三)鏈路管理單元。鏈路管理單元攜帶了鏈路的鑒權、硬件配置、數據設置以及其他協議，能夠發現遠端管理單元并通過鏈路管理協議與之通信[3]。其本質是負責管理藍牙設備之間的數據通信，實現鏈路的配置、建立、連接和驗證等操作。

三、系統的總體設計

(一)系統構成。藍牙智能門鎖主要由用戶模式下APP客戶端、藍牙通信模塊、以及單片機為核心構成的控制電路組成。單片機通過控制繼電器來操控開鎖以及接收密碼的輸入指令。藍牙智能門鎖工作原理：用戶先通過藍牙進行搜索，讓其與門鎖的藍牙進行匹配，若已匹配成功，會顯示手機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，密碼通過藍牙傳送給門鎖的藍牙模塊，進而將密碼傳送給單片機。單片機將接收到的密碼和預先設定的開鎖密碼進行比較，若兩者的密碼完全匹配則可將鎖打開，否則不能開鎖。用戶界面同時可以顯示圖形界面鎖、自定義添加藍牙設備以及開鎖記錄。

(二)技術原理。在現代電子通信領域中，相比機械式門鎖，人們傾向于更加智能化的設備，這些設備克服性能欠佳的缺點，使智能藍牙設備快速迅猛的發展。隨著各種芯片和集成電路的大規模生產，特別是以單片機為主導智能設備，它具備智能解鎖、反饋用戶信息以及實時與用戶通信的功能。它以TLSR8266低功耗芯片作為核心模塊，并加上降壓穩壓電路、AD電壓等硬件設備，實現密碼的正確匹配、信息傳遞以及識別和顯示功能，用戶界面內輸入的密碼用于和單片機里事先設定好的密碼進行匹配，若匹配成功，利用電機驅動進行開鎖，否則用戶需要重新使用密碼，最多允許錯誤4次，一旦超過上限則需要等待一定的時間才能進行下次密碼輸入操作[4]。

四、軟件設計

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

(二)通信協議。本系統中的通信協議使計算機之間能夠進行相互會話，通信協議同時具有可靠性、實時性和層次性，在用戶方和智能藍牙門鎖間使用幀進行通信，傳輸過程中經歷封裝成幀、差錯檢測和可靠傳輸三大環節，其中通信幀固定為16個字節，除有效的指令和數據之外，剩余部分可以填充任意數據[5]。發送者經過預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據完成通信協議。

五、硬件設計

門鎖采用兩節5號電池進行供電，安裝方便，更換容易。同時，門鎖使用AD電壓檢測，檢測電池電壓是否下降到已設定的低電壓2.2V，當電壓下降到2.2V時，門鎖向手機APP發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無法開鎖的情況，系統另留有Micro USB接口，用戶可以使用充電寶等給門鎖供電實現開鎖。

只有電池供電的情況下，PMOS管截止，輸入電壓經D2降壓后，輸入到降壓穩壓電路，D2采用肖特基二極管，導通壓降約為0.3V；只有USB供電的情況下，PMOS管導通，D2用于防止USB接口通過電阻R2消耗電能:兩者同時存在時，PMOS管截止，電池輸入電壓經D2降壓后，給后級電路供電。A1與A2的高低電平狀態決定電機是否轉動，進而決定藍牙智能鎖的開關轉態，若A1與A2同時為高電平時驅動電機，實現開鎖操作，若A1與A2同時為低電平時則不驅動電機，實現關鎖操作，并設置一個輸出端，用于檢測鎖是否處于開啟狀態。

六、結語

本文利用手機的藍牙通信功能設計實現利用手機開啟的智能門鎖。在系統中，手機APP用來輸入開鎖的密碼，藍牙通信用來建立手機和智能門鎖間的信息通道，使手機成為了開鎖的鑰匙，更加方便快捷。通過手機就可以控制門鎖的開啟，為生活的智能化增添了新的體驗，具有一定的實用價值。