基于“老式門鎖”的智能開鎖系統的設計與實現

黃賢靜，李葉龍，張貴元，王瓊，陳鑫

（嶺南師范學院機電工程學院，廣東 湛江 524037)

老式門鎖又稱外裝鎖、鐵門鎖等，是經典的機械鎖，因其價格低廉、結構簡單、牢固等特點，至今仍被廣泛應用于學生寢室、實驗室、工廠宿舍、樓房外門、倉庫以及廣大農村自建房等場所[1-3]。如圖1所示，該型鎖主要由鎖扣盒、斜舌（含機械控制模塊）、圓舌（含機械控制模塊）、斜舌撥動部件（又稱拉手或鎖鼻）、鎖體等構成。該型門鎖有三種工作模式，即防盜模式、非防盜模式和鎖舌隱藏模式。用于防盜模式時由一個斜舌和兩個圓舌實現三段鎖定，此模式下必須借助鑰匙才可實現開關鎖（鎖門與開門操作）；用于非防盜模式時僅由斜舌鎖定，由于斜舌的結構特點，此模式下隨手“推”“拉”門即可完成鎖門操作，并且可在內部通過拉動斜舌撥動部件或在門外借助鑰匙兩種方式開鎖；鎖舌隱藏模式，斜舌及圓舌全部縮回鎖體內，斜舌通過拉手鎖死旋鈕進行鎖止，此模式下隱藏了全部鎖舌，可自由手動開關門。

圖1 老式門鎖

日常生活中，此種老式門鎖常用于上述模式二（非防盜模式），即僅由斜舌鎖定。此種模式的優點是鎖門方便，但也正是因為鎖門方便，常會發生不想鎖門時因為隨手的操作而誤鎖門，進而需重新用鑰匙開門（更有甚者將鑰匙忘在房內更為麻煩），這給使用者帶來了一定困擾。

近年來，隨著網絡的普及，智能家居開始進入普通家庭，大量智能化的家居產品被推廣與使用。目前智能家居方面較注重新產品的設計與研發，而忽略了老式設備的改造與升級[1-6]。由此，本文針對老式門鎖進行智能化升級研究，設計了一種智能輔助開鎖系統，該系統與老式門鎖（非防盜模式）相結合了可實現遠程開門功能，有效地解決了上述問題。

1 開鎖裝置設計方案

1.1 結構設計

老式門鎖最常用于模式二（非防盜模式）狀態，即僅由斜舌鎖門，此種模式下可通過拉動鎖舌撥動部件進行開鎖。本文即是基于此種工作模式進行設計。如圖2~圖3所示，該裝置主要包括殼體、吸盤、端蓋、牽動繩、舵機、舵機支架、發條架、發條、電池盒、具備網絡通訊功能的舵機驅動器等，舵機驅動器安裝在殼體端蓋上并置于殼體內部。

如圖2所示。將殼體裝有吸盤的一面（底部）借助吸盤吸附門上，殼體內安裝有電源、舵機、發條、舵機驅動器等（見圖3)，將發條安裝在舵機輸出軸上，牽動繩一端與舵機輸出軸上的發條連接，發條保證在釋放狀態下牽動繩得以張緊，另一端與斜舌撥動件（又稱拉手或鎖鼻）末端相連。具體工作過程為：具備網絡通訊功能的舵機驅動器(ESP8266-NodeMCU模塊）連接Wi-Fi，智能手機端安裝專用App并連接4G或Wi-Fi；打開App按動“開鎖鍵”發出開鎖命令，舵機驅動器通過Wi-Fi接收命令并處理信息，在其對應引腳輸出信號，該引腳信號驅動舵機軸轉動一定角度，舵機軸帶動發條轉動，發條拉緊，發條拉緊過程帶動牽動繩將斜舌撥動件拉回，斜舌撥動件帶動斜舌縮回鎖體，實現開鎖；按動“關鎖鍵”，舵機復位，釋放牽動繩，斜舌復位。

圖2 整體結構圖

圖3 內部結構

圖4 外框架結構

1.2 拆裝方法

端蓋上設計4個圓孔（稱為握孔），在拆裝端蓋時將3根或4根手指伸入握孔握緊端蓋，進而完成拆裝動作。端蓋拆裝方法：首先將舵機驅動器安裝于殼體端蓋上，并連接舵機及電源（電池盒），然后用三根手指伸入握孔，將端蓋上的卡扣卡入殼體上的卡槽內，并旋轉將端蓋固定于卡槽內。拆開時動作與上述相反。安裝完畢后，將殼體通過吸盤吸附于門上，由牽動繩將發條及斜舌撥動部件進行連接即可，牽動繩可根據需要自行決定長度。電源開關口可實現手動開關電源。

2 控制系統設計

2.1 硬件

控制系統硬件主要有Android手機、ESP8266-NodeMCU模塊、SG90型舵機等。ESP8266-NodeMCU模塊是由我國樂鑫科技研發的一款開源的物聯網開發板，ESP8266是其核心元件，具有聯網功能，NodeMCU為開發板名稱，用以區分市場上其他基于ESP8266的開發板，該開發板有兩排插針分別與ESP8266引 腳 相連。SG90尺 寸 為22.5mm×13mm×22.8mm，工作電壓為4.8V，工作電壓下扭矩為1.6kg/cm，使用溫度為0℃~55℃，其體積能夠滿足設計中的內嵌式需求，經測試，其扭矩可以滿足斜舌撥動件的拉動需要。

2.2 控制方案

以Android手機為控制終端，ESP8266-NodeMCU模塊為驅動器，SG90型舵機為受控端。

其具體實現方案如圖5所示，以NodeMCU模塊作為舵機SG90的驅動器，將NodeMCU模塊與室內Wi-Fi進行連接，實現NodeMCU模塊與網絡服務器間數據互通，用戶在Android手機端通過人機界面(App)，以互聯網為媒介，向在線的NodeMCU模塊發送指令，NodeMCU依據指令驅動舵機，舵機接到指令后轉動一定角度，并通過發條、牽動繩拉動斜舌撥動部件使斜舌縮回鎖體內部，進而實現遠程開鎖。

圖5 控制簡圖

2.3 手機端應用界面開發

Android手機是目前最為普及的智能手機，故以此為控制器，并利用Blinker App設計用于開鎖控制的App。Blinker App是搭建人機交互平臺的有效工具，通過該工具可快速地將硬件設備接入物聯網，進而實現以互聯網為媒介來控制設備。非常適合Arduino，以ESP8266為核心的開發板，Raspberry Pi（樹莓派）等為核心的智能家居項目的開發。其用戶自定義界面如圖6所示。

圖6 Blinker用戶自定義界面示意圖

在Blinker中，用戶可以根據需要對控制界面進行編輯，首先選擇所需的自定義界面，進入到自定義界面之后，依據需要添加按鍵，并根據開發板程序內部的“數據鍵名”，定義各按鍵的鍵名。當手機端與互聯網連接后，使用者只需進入用戶界面，點擊相應“數據鍵名”的按鍵，Blinker App將該數據鍵名所包含的信息上傳至服務器，另一端與互聯網連接的NodeMCU開發板讀取服務器上變動的按鍵數據，并運行該數據鍵名所對應的子程序，通過該子程序的運行實現對硬件的控制。

2.4 實物測試

依據設計方案制作智能開鎖輔助裝置（見圖7)，將智能開鎖輔助裝置安裝在學生寢室門上，通過細繩與老式門鎖的斜舌拉動部件進行連接，將ESP8266-NodeMCU模塊與寢室內Wi-Fi進行連接通信。An?droid手機端被使用4G網絡，Wi-Fi及藍牙三種模式進行測試，結果表明，該裝置可穩定地實現近遠程無線開鎖功能。

圖7 實物圖

3 結束語

本文針對老式門鎖“非防盜模式”設計了遠程智能開鎖系統。主要包括機械裝置設計，控制系統設計。采用Android手機作為控制終端，并利用物聯網接入工具Blinker App設計了用于控制開鎖裝置的App，以具有網絡連接功能的ESP8266-NodeMCU作為驅動器，實現了對開鎖裝置的遠程控制。該系統實現了對老式門鎖的智能化升級，對于普及智能家居理念具有一定現實意義。