基于嵌入式行李箱的智能鎖設計

張長虹 吳偉偉 李肖鋒 朱素娜

摘要：目前市場上絕大多數的行李箱鎖為簡易式機械鎖，安全系數極低。為了確保出行旅客的行李箱安全，本設計基于嵌入式可伸縮智能行李箱的原有結構，設計了一款具有指紋防盜技術的行李箱智能鎖。本款智能鎖以51單片機為基礎，并且通過指紋錄入、識別等功能對檢測到的指紋進行比對分析，同時加入NFC模塊，可以使用手機進行快速解鎖，從而達到智能、安全的目的。

關鍵詞：指紋解鎖;51單片機;NFC

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0078-03

Abstract： At present， the vast majority of trunk locks on the market are simple mechanical locks with very low safety factor. In order to ensure the safety of passengers' luggage， this design is based on the original structure of embedded retractable intelligent trunk， and designs a trunk intelligent lock with fingerprint anti-theft technology. This intelligent lock is based on 51 single-chip microcomputer， and through fingerprint input， identification and other functions to compare and analyze the detected fingerprints. At the same time， NFC module is added， which can use mobile phone to quickly unlock， so as to achieve the purpose of intelligence and security.

Key words： fingerprintunlocking;51MCU;NFC

近年來，伴隨著互聯網信息技術的蓬勃發展，國內智能鎖在技術、生產工藝方面得到了極大的提升。隨著交流的日益密切，智能鎖的市場需求愈發廣闊，而外出也漸漸成為人們工作和生活的重要組成部分，因此行李箱安全性的提升極大的契合了市場的需求。智能鎖由于其便捷性、實用性和安全性在行李箱領域得到了廣泛的應用，本設計基于以上目的，致力于研制出兼具以上優勢的智能鎖。

1智能鎖發展歷程

中國的智能鎖發展歷程大致可以分為四個時期：第一時期：1989-1999，刷卡式電子鎖成星級酒店標配。雖然那時候的酒店鎖市場非常大，但是大多數企業沒有自己的核心技術，仍處于模仿、借鑒歐美和日韓相關產品的階段。第二時期：2000-2010，指紋鎖開始走入歷史舞臺。進入20世紀后，我國電子鎖行業得到快速發展。有不少企業也開始從酒店電子鎖逐漸向家用指紋鎖轉移。雖然在外觀和某些技術上還是以借鑒韓國為主，但是指紋識別技術的運用，為電子鎖的家用進程奠定了基礎。這一時期的智能鎖產品除了傳統的機械鑰匙、NFC技術及密碼之外，指紋識別已成為家用鎖的標配，但這一時期的指紋模塊主要以光學為主。第三時期：2011-2016，多種生物識別并存，聯網已成趨勢。隨著智能鎖觸網的深入及安裝基數達到臨界點后形成網絡效益，“智能鎖+App”，或者“智能鎖+微信”已成為智能鎖第三階段的標志之一，實現了一機在手，隨時隨地查看家中的狀態。而且，遠程控制的形式還會一直延續下去。第四時期：2017-至今，人工智能鎖已經漸漸出現在公眾視野當中。伴隨著越來越多的企業的加入，行業內部的競爭已經愈發激烈。越來越多的智能鎖企業，為了擺脫現有的桎梏，正在積極謀求新的突破口。在人工智能大火的背景之下，更多的人把目光轉向了人工智能本身，智能鎖的第四個時期也由此開啟。

中國的智能電子鎖具一開始并沒有任何技術，也沒有任何經驗的支持，所以只能模仿外國發達國家的產品，由此可見，中國的智能電子鎖具的創業歷程是多么艱難。如今，經過20多年的發展，中國已經完成了從普通電子鎖具到指紋鎖具，最后創造出人工智能鎖的發展歷程，成功屹立于智能鎖具強國的行列。

2功能模塊的設計與實現

2.1 指紋識別模塊的設計原理

此項目中運用了指紋識別模塊，其模塊型號為 AS608 。在進行指紋識別時，通過模塊中的傳感器，對檢測到的指紋圖像進行分析和比對，檢測到的指紋緊接著和系統中提前錄入的指紋進行驗證和處理。本設計中運用到的指紋識別模塊——ATK-AS608和同等類型模塊相比具有非常良好的特點，如：此模塊由于采用高精度算法，指紋的驗證和處理時間能夠保持在0.3s之內、拒識率（FRR）保持在1%之內，誤識率（FAR）保持在0.001%之內，并且具有能夠錄入并儲存300枚指紋的優點。此模塊工作的基本原理是以單片機和Uart串口為主要基礎進行數據通信，并對MCU發送指紋的驗證和分析結果，與此同時，模塊中的主控芯片會在收到分析結果的基礎上，向電機模塊發送指令，由此達到智能鎖具快速開啟的目的。

2.2軟件系統實現

本文研究的智能鎖采用的是以51單片機為核心的處理器，它內部的程序是由C語言來進行編寫，在 KeiluVision2 平臺上調試，而且通過 Proteus 7 Professional 平臺上所建立的硬件模擬環境來進行調整和驗證，從而讓軟件模塊和硬件模塊互相協調工作的電路，一起完成本設計中的智能功能。軟件模塊具有錄入指紋，且進行比對分析或增減指紋等設計。在本項目中，圖像的識別模塊使用的算法是 GABOR ，其目的是處理因錄入的指紋不清晰等原因手造成系統識別質量不足的問題。進行指紋分析的系統使用的內部軟件搭建結構為 DSP 加 51 的組合，大大提升了核心處理器的工作效率，強化了系統中軟件的并列運行的程度。本設計中，指紋信息的錄入、比對與分析、指紋的增減是由 DSP 芯片重點負責的。使用的大致過程是用戶提前將自己的指紋錄到模塊當中，而后期可由用戶自己進行指紋的增減。

指紋處理大致流程如圖 1 所示

2.3 NFC模塊

為了使本設計具更加完善的功，并且提高用戶使用時便捷性，我們為了防止出現錄入指紋時錄入圖像不清晰，阻礙用戶的使用的情景，因此，添加了NFC模塊。NFC也就是我們常說的近場通信（Near Field Communication），它是一種小范圍內的高頻無線通信技術，當使用NFC技術的設備（如手機），彼此靠近時可以互相進行數據交換。當手機開啟NFC功能并靠近行李箱智能鎖時，智能鎖將自動核對信息，若跟系統設定的信息相一致時，智能鎖將自動打開，大大便捷了行李箱的使用。

NFC工作流程圖如下。

3智能鎖的核心技術與安全性分析

3.1 技術分析

在本設計中，系統內部各個模塊之間的連接方式是無線連接，所以本設計中的關鍵技術是數據的采集與傳輸。由此引發的，需要我們特別關注的問題是模塊中的網關模塊是比較容易遭受攻擊的，從而引起我們對安全性的擔憂。因此，針對此問題我們在本設計中加入了訪問控制模塊，它的大致作用是監測用戶的活動內容并進行記錄分析，同時對其操作進行回應，并且給予用戶對應的權限，防止非經允許的使用者獲得相應權限。同時，若長時間無新的指令產生，智能鎖將自行休眠進入低功耗模式。倘若系統檢測到用戶使用密碼或指紋解鎖，系統會對其身份進行比對分析，在核查無誤后才會進行開鎖指令的下達。在本產品設計中，系統的關鍵部分為指紋模塊，它在系統中最主要的功能是高效的對指紋進行比對分析與核查，從而以極快的速度來檢測訪問者的合法性，最后決定是否下達開鎖指令。在本設計中，指紋模塊為核心部件，且其為電容式，因為此類模塊是DSP處理器高性能運轉以及和傳感器相互協同工作的關鍵，并且指紋模塊內部具有完善的算法與指紋協議。它的功能大致有，指紋的識別與比對、指紋的錄入與存儲、指紋特征的提取、錄入的指紋圖像的處理等，極大的增強了指紋識別的準確性與安全性。

智能鎖的開鎖與解鎖是由系統對電機驅動下達指令完成的，智能鎖模塊的輸入/輸出端在進行初始化后，便進入待機模式，當其接收到指令并對指令進行驗證分析后，完成開鎖解鎖。

3.2智能鎖的安全性分析

結合現有技術，我們考慮到發送與接收數據的安全性有待提高，因此，我們所有的數據全部進行加密處理，并且規定用戶使用智能解鎖的機會不超過5次。倘若系統識別到5次以上解鎖錯誤，智能鎖將立刻關閉智能解鎖系統，在此情況下，用戶只能進行物理解鎖，從而達到保證用戶行李箱安全的效果。

數據加密流程如圖所示。

4 總結

綜上所述，隨著互聯網與物聯網對我們生活日益深刻的影響，以NFC智能解鎖和指紋解鎖為基礎的智能鎖，愈來愈發的被市場所接受。具有高安全性，便捷且實用的裝配有智能鎖的行李箱越來越受大眾所喜愛，所以大力探究和發展智能鎖也大有市場。通過對現階段智能鎖的關鍵技術與安全性的分析不難看出，雖然智能鎖相較于傳統鎖具在技術層面已經有了較大的進步，但結合實際，無線電傳輸并不具有絕對的安全性，數據接收與發送時如何保密仍然要我們繼續研究，這不僅僅是一個智能鎖的研究課題，也是智能鎖技術走向成熟的重要研究課題。

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【通聯編輯：光文玲】