基于LiteOS和人工智能技術的物聯網智能門鎖系統

摘 要：設計了一款基于華為LiteOS和人工智能技術的物聯網智能門鎖系統，旨在為用戶提供低成本、便捷、安全、節能環保和智能化的智能門鎖解決方案。該系統采用STM32L431RCT6為主芯片，集成WiFi模塊、矩陣按鍵、LED燈、蜂鳴器、RFID、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等外圍設備，實現了室內按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠程開鎖、門鎖狀態實時監控等多種功能；系統采用了LiteOS，具有功耗低、響應快、安全可靠等特點；系統通過在STM32上運行人工智能的神經網絡算法，實現門鎖與室內燈光、空調、加濕器等設備的智能化聯動，提升了系統的智能化水平，同時有效降低了系統的成本；系統具備異常報警、防歹徒挾持等功能，能夠保護用戶的人身安全；用戶可以通過微信小程序遠程監控門鎖、燈光、空調、加濕器等設備的工作狀態，有效避免忘記關門或家電而帶來的安全隱患和能源浪費。

關鍵詞：華為LiteOS；物聯網；智能門鎖；嵌入式；STM32；神經網絡

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，智能門鎖作為智能家居的重要組成部分，正逐漸受到市場的關注和用戶的青睞。智能物聯網在智能家居、自動駕駛城市計算、智能制造等領域均有重要的應用前景[1]。目前，物聯網門鎖市場呈現出四大特點：

（1）多功能集成：現代的物聯網門鎖不僅具備基本的開鎖功能，還集成了諸如監控、報警、智能識別等多種功能[2]；

（2）移動應用控制：大多數物聯網門鎖都支持通過手機應用進行控制，用戶可以通過移動應用實現遠程鎖定和解鎖[3]；

（3）重視安全性：由于涉及到家庭安全，物聯網門鎖在安全性方面采取了多重措施，例如應用先進的加密技術、生物識別技術（如指紋識別、面部識別）等[4-6]；

（4）平臺化與生態整合：許多物聯網門鎖品牌都在打造自己的生態系統，與其他智能家居設備進行聯動，為用戶提供更為便利和智能的居住體驗。

然而，盡管物聯網門鎖市場前景廣闊，但目前仍面臨著操作性、安全性、功耗以及用戶隱私保護等方面的多重挑戰。

LiteOS是一款輕量級物聯網操作系統，最小內核尺寸僅為6 KB，具備快速啟動、低功耗等優勢[7]。鑒于此，本文設計了一款基于LiteOS和人工智能技術的物聯網智能門鎖系統，在滿足門鎖基本功能的基礎上，為用戶提供了更加實用的物聯網和智能化功能，實現了低功耗、高度智能化、更高的安全性和更實用的功能，充分滿足了用戶多樣化的需求。

1 系統概述

本系統為用戶提供了一種智能化、價格便宜、功能實用、使用便捷、安全可靠的物聯網智能門鎖解決方案。該方案基于LiteOS和人工智能技術，實現了多項物聯網智能門鎖功能，包括：室內按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠程開鎖、門鎖狀態實時監控、異常報警、防歹徒挾持，以及基于人工智能算法實現門鎖與室內燈光/空調/加濕器智能聯動等功能，系統整體框架如圖1所示。

用戶可以通過本系統對門鎖狀態、燈光狀態、溫濕度狀態進行實時監測，從而隨時掌控家庭環境狀態。通過運行智能化的算法[8]，系統實現了門鎖與燈光、空調、加濕器等設備的智能化聯動，能夠有效避免忘記關門或關閉家電而帶來的安全風險和能源浪費。用戶還可通過微信小程序手動實現遠程開鎖和關鎖、遠程燈光控制、遠程空調調節、遠程加濕器控制和一鍵報警等功能，滿足了遠程監控與管理的實際需求。本系統采用華為LiteOS物聯網系統，具有功耗低、響應快、安全可靠等特點。

2 方案設計

2.1 硬件方案

本系統的硬件主要包括：主芯片、WiFi通信模塊[9]、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏、RFID、繼電器、電磁鎖等，硬件選型及理由見表1。

2.2 軟件方案

本系統的軟件功能包含3個模塊：設備端軟件、華為云端軟件與微信小程序端軟件，系統整體流程如圖2所示。

2.2.1 設備端軟件

實現功能包括：各模塊初始化、任務函數創建以及LiteOS系統運行、控制功能模塊設計、智能化功能、LCD界面設計。

（1）各模塊初始化

各模塊初始化包括主芯片STM32L431RCT6、WiFi模塊、LED燈、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等模塊的初始化。

（2）任務函數創建及LiteOS系統運行

基于LiteOS系統，采用多線程來實現本系統功能。創建了實現對應功能的任務函數，包括：門鎖管理（門鎖狀態、開鎖、關鎖）、射頻卡管理（添加射頻卡、刪除射頻卡）、密碼管理（密碼設置、輸入密碼、密碼驗證等）、MQTT通信（狀態上傳、控制碼接收）、LCD信息顯示、防歹徒挾持、智能化聯動等功能。

（3）控制功能模塊設計

開鎖功能設計：室內按鍵開鎖、射頻卡開鎖、按鍵輸入密碼開鎖、微信小程序開鎖。

關鎖功能設計：開鎖5 s后自動關鎖，微信小程序關鎖。

狀態信息上傳和控制命令接收功能設計：通過WiFi模塊采用MQTT通信與華為云進行信息交互[10]。上傳的數據包括溫濕度數據、室內光照強度數據、門鎖狀態數據、空調開關狀態數據、加濕器開關狀態數據；接收的控制命令包括燈、空調、加濕器、門鎖等設備的開關控制。

報警功能設計：如果門長時間未關，會觸發報警；不法分子采用暴力手段破壞門鎖時，門鎖也會自動報警。

防歹徒挾持功能設計：在有歹徒跟蹤時，用戶可通過特殊按鍵一鍵報警。

按鍵功能設計：不同按鍵對應不同的功能，按鍵0～9為用戶輸入密碼按鍵；按鍵10為屋內開鎖按鍵；按鍵11為防歹徒挾持報警按鍵，按下后觸發報警；按鍵12為解除報警按鍵；按鍵13為重新輸入密碼按鍵；按鍵14為添加射頻卡按鍵；按鍵15為刪除射頻卡按鍵。

（4）智能化功能

手動遠程控制：通過微信小程序手動進行管理，遠程監控門鎖、燈光、空調、加濕器等設備的狀態并進行遠程控制，解決了因用戶出門忘記關門、燈、空調、加濕器等設備而造成的安全隱患和能源浪費問題以及難以為他人遠程授權開門的痛點問題，提升了門鎖使用的便捷性和智能化。

智能化聯動：首先采集室內的溫濕度、光照強度、燈光狀態、空調狀態、加濕器狀態等數據，用Keras框架進行訓練后得到model.h5模型；然后使用CUBE.AI的擴展包導入訓練好的h5模型；最后在工程中調用AI模型，實現門鎖與室內燈光、空調、加濕器等設備的智能化聯動。例如：門鎖打開后，若室內光線較弱則控制室內的燈自動打開；門鎖打開后，若室內光線較強則控制室內的燈保持關閉狀態。根據用戶使用習慣和室內的溫濕度數據智能化控制空調/加濕器設備，在智能化控制的基礎上也允許用戶手動操作和控制。通過這些智能聯動功能，進一步提升用戶體驗，實現高效的節能環保。

（5）LCD界面設計

在LCD屏上顯示主要信息包括：門鎖狀態、室內光照、室內溫度、室內濕度、室內燈、刷卡、密碼等。

2.2.2 華為云端軟件

設備端的數據通過WiFi使用MQTT協議與華為云進行通信，華為云端主要實現的功能包括：MQTT訂閱主題（華為云對設備的控制命令）、發布消息（溫度、濕度、鎖的狀態、燈的狀態）到華為云服務器、提供API使微信小程序與設備通信。

2.2.3 微信小程序端軟件

小程序端能夠為用戶提供遠程控制設備和實時獲取設備狀態數據的便捷途徑，為用戶提供安全、便捷、智能的物聯網門鎖使用體驗。用戶通過小程序端能夠對溫度、濕度、光照強度等室內環境信息進行實時檢測以及對門鎖、燈光、空調、加濕器等設備的狀態進行監控，還可以遠程對門鎖、燈光、空調、加濕器等設備進行開關控制。

3 系統測試

3.1 開機及功能界面顯示

接通電源（支持12 V適配器供電、12 V電池供電、USB線供電等），設備自動開機，開機畫面如圖3（a）所示；設備初始化成功后進入功能界面，實時顯示門鎖狀態、溫濕度、光照強度、燈光狀態、刷卡情況、輸入密碼情況等，如圖3（b）所示。

3.2 設備端功能測試

設備端實現室內按鍵開鎖、射頻卡開鎖、按鍵輸入密碼開鎖、智能聯動等功能。LCD顯示及智能聯動功能展示如圖4所示，當采用射頻卡開鎖且室內光線較弱時，室內燈自動打開，LCD界面上顯示“燈已開”。

3.3 小程序端測試

在小程序端，用戶通過點擊“連接服務器”按鈕進行設備連接，連接成功后可實時查看設備端的狀態數據，可通過對應的按鈕遠程控制門鎖、燈光、空調、加濕器等設備，如圖5所示。

4 結 語

本文將華為LiteOS系統和人工智能技術應用到智能物聯網門鎖系統中。本系統廣泛適用于家庭、辦公樓、酒店等應用場景，并具備以下優點：

（1）低成本：選用STM32作為主芯片，外圍傳感器包括：WiFi模塊、Led燈、蜂鳴器、按鍵鍵盤、溫濕度傳感器、光敏傳感器、LCD顯示屏等，這些模塊和主芯片均為業界主流的方案，量產價格較低，整套系統硬件成本較低，能夠滿足用戶對高性價比智能門鎖的需求。

（2）操作便捷：系統具有較強的物聯網和智能功能，滿足了用戶對智能門鎖的便捷性需求，包括：室內按鍵開鎖、射頻卡管理、射頻卡開鎖、密碼開鎖、微信小程序遠程開鎖、門鎖狀態實時監控、異常報警、防歹徒挾持、溫濕度顯示、基于人工智能算法實現門鎖與室內燈光/空調/加濕器智能聯動等。

（3）低功耗與長壽命：本系統采用華為LiteOS物聯網系統，具有功耗低、響應快、安全可靠等特點，使得基于LiteOS的門鎖系統能夠長時間工作而不需要頻繁充電或更換電池，從而提高了系統的穩定性和壽命，滿足了用戶對智能門鎖低功耗的需求。

（4）安全性強：本系統提供防歹徒挾持功能，保護用戶人身安全。在被歹徒跟蹤時，用戶可通過特殊按鍵一鍵報警；不法分子采用暴力手段破壞門鎖時，門鎖會自動報警。

（5）節能與環保：提供智能化的算法，實現了門鎖與室內燈光、空調、加濕器等設備的智能化聯動，能夠有效避免忘記關門或家電而帶來的安全風險和能源浪費。用戶還可通過微信小程序手動進行管理，遠程監控門鎖、燈光、空調、加濕器等設備的狀態并進行遠程控制，進一步節省電能。

（6）可擴展性和靈活性：隨著技術的不斷進步，基于LiteOS的門鎖系統可以方便地進行功能擴展和升級，比如增加新的傳感器或執行器來實現更多的自動化功能。

參考文獻

[1]郭斌，劉思聰，劉琰，等.智能物聯網：概念、體系架構與關鍵技術[J].計算機學報，2023，46（11）：2259-2278.

[2]常國權.基于“互聯網+”的智能門鎖控制系統設計[J].現代信息科技，2020，4（17）：38-40.

[3]徐曉峰. 5G 物聯網技術驅動下高校真人圖書館服務創新策略研究 [J]. 圖書館工作與研究，2021，43（8）：62-68.

[4]胡艷茹.一種智能藍牙指紋密碼鎖的設計與實現[J].物聯網技術，2023，13（9）：119-123.

[5]王尊龍 .一種指紋識別密碼鎖的創新設計[J].電子測試，2019，26（2）：27-28.

[6]宋春鳳，黃誠文，燕佳豐，等.智能電子鎖的設計[J].電子制作，2020，27（19）：34-37.

[7]孫中皋，王新軍，王玉新. 基于Huawei LiteOS的認養農業物聯網系統設計[J].物聯網技術，2023，13（2）：140-146.

[8]李武軍，王崇駿，張煒，等.人臉識別研究綜述[J].模式識別與人工智能能，2006，19 （1）：58-66.

[9]馬海霞，高偉豪，曾超華，等.基于WiFi的無線智能門鎖設計[J].電子設計工程，2019，27（21）：160-163.

[10]關宇晟.基于華為云IoTDA的環境數據采集系統設計[J].裝備制造技術，2022（2）：139-143.