基于STM32單片機的手機藍牙無源鎖設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 劉 旻

針對電網中現有的普通機械鎖，存在如鑰匙容易丟失、無法確定開鎖人員和無法確定開鎖時間、缺乏安全性等問題，設計了利用無線藍牙模塊和無線充電模塊的手機藍牙無源鎖。具體功能有：增加了遠程遙控開關鎖、鑰匙利用線圈的電磁感應來給鎖具供電、顯示鎖具狀態、保存鎖具操作記錄等功能。

手機藍牙無源鎖主要由智能掛鎖、無線供電鑰匙、管理平臺、專用手機APP構成。該鎖是在傳統機械鎖的基礎上，增加了遠程開關鎖具、無線充電、APP中保存操作記錄等功能。

1 手機藍牙無源鎖的總體設計

系統硬件部分主要由STM32單片機作為主控芯片、無線發送和接收的充電電源模塊實現無線充電、藍牙模塊進行數據接收和傳輸、霍爾傳感器模塊感應鎖具狀態、電源模塊提供穩定的3.3V直流電壓、電機驅動模塊帶動電機轉動，通過這些模塊實現無線充電、進行移動終端和鎖具之間的數據傳輸等功能。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件模塊設計

2.1 霍爾傳感器模塊

通過霍爾傳感器感應磁鐵位置來判斷鎖具狀態，當傳感器MT1322AT未感應到磁鐵時，傳感器輸出低電平，此時單片機引腳會感應出高電平；當傳感器MT1322AT感應到磁鐵時，傳感器輸出高電平，此時單片機引腳會感應出低電平。根據GPIO口讀出的高低電平，來判斷出鎖具此時處于開鎖還是關鎖狀態，從而驅動電機的正反轉動。傳感器模塊如圖2所示。

圖2 傳感器模塊

2.2 電機驅動模塊

電機驅動芯片9、10引腳的輸入信號來自單片機，單片機通過給9、10引腳不同的信號來驅動芯片輸出不同的電壓。控制規律：輸入信號IN1、IN2電位均為低電位時，電機處于閑置狀態；IN1、IN2均為高電平時，電機停止轉動；IN1為低電平，IN2為高電平時，電機反轉；IN1為高電平，IN2為低電平時，電機正轉。電機驅動模塊如圖3所示。

圖3 電機驅動模塊

2.3 藍牙模塊

RF-BM-4044B4是一種基于TI-CC2640的藍牙低能耗數據模塊。手機App通過藍牙模塊接收并處理數據包，處理結束后藍牙模塊再把手機發送的命令傳送給鎖具單片機，藍牙模塊作為數據傳輸中轉站實現數據上傳。可以通過控制LED燈顯示連接狀態，藍牙連接成功，狀態指示燈常亮；藍牙斷開連接，狀態指示燈熄滅。藍牙模塊如圖4所示。

圖4 藍牙模塊

2.4 無線電源控制器和接收器的選型

BQ500212A和BQ51013BRHLR分別作為鑰匙發送端和鎖具接收端芯片，根據電磁感應原理傳遞能量實現無線充電。成本低、效率高、抗干擾能力強、充電穩定是選擇它的重要原因。

3 軟件設計

3.1 藍牙通訊協議

（1）8位ID碼：即鎖的ID編碼；

（2）1位命令：“W”——寫命令，“R”——讀命令，“O”——開鎖命令，“C”——關鎖命令；

（3）1位鎖狀態：“0”——錯誤狀態，“1”——開狀態，“2”——關狀態，“3”——錯誤狀態；

（4）2位隨機碼：偽隨機數；

（5）4位開關次數：當前鎖已經開關動作的總次數。數據包結構如圖5所示。

圖5 數據包結構

APP必須從查詢包中獲取當前鎖的ID，以及4位開關次數。APP在發送命令為“O”，“C”的包時，必須ID和開關次數正確。而發送其他包時則不必考慮，只要總長度為16位即可。

3.2 系統流程圖

此次設計中采用的是STM32F030C8T6作為主控芯片，使用的語言為C語言，基于Keil軟件進行編程。

鑰匙靠近小鎖進行無線充電，系統進行初始化，霍爾傳感器將采集得到的實時數據傳送到鎖具STM32單片機內，單片機根據所得到的數據按照我們所規定的協議打包成加密數據包，數據包通過藍牙模塊傳送給移動終端，App通過對數據包的解密獲得鎖具狀態，用戶登錄App點擊圖標進行開關鎖操作，手機將這個操作命令同樣以數據包形式通過藍牙模塊傳送給小鎖單片機，單片機根據協議對數據包進行解密然后下達開關鎖命令，電機驅動模塊收到命令做出相應的動作，實現鎖具的開關操作。系統流程圖如圖6所示。

圖6 系統流程圖

結語：本文設計的基于STM32單片機手機藍牙無源鎖，實現了鎖具狀態的數據實時上傳，遠程操控開關鎖，安全性和方便性得到了很大的提升，滿足電網實際應用需求，有較好的發展前景。