基于STM32的智能指紋門鎖

王皓 張昊 何懷鵬 王成 馬浩文

摘要：隨著人們生活水平的提高，智能化的生活方式已經(jīng)成為人們生活的主流。隨著科技的發(fā)展，自動化水平的提高，萬物互聯(lián)時代已經(jīng)到來。物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，是近些年最為火爆的幾個詞語，但是智能家居費(fèi)用太高，不能做到普遍的智能化。近年市面上出現(xiàn)各類基于電子密碼、射頻、指紋等生物識別等等的智能門鎖。這些“智能門鎖”雖然提高的門鎖的安全性和便利性，但并未實現(xiàn)人們希望的智能。在分析以上各類門鎖的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款單片機(jī)控制的帶 Wifi、溫濕度感應(yīng)模塊和煙霧傳感器等器件，實現(xiàn)手機(jī) APP 遠(yuǎn)程對門鎖進(jìn)行上/解鎖，并監(jiān)控門開關(guān)狀態(tài)、室內(nèi)溫濕度煙霧系數(shù)等功能的門鎖。無線智能指紋門鎖是一個智能產(chǎn)品，它使用無線網(wǎng)絡(luò)建立了鎖和移動通信，用戶通過手機(jī)應(yīng)用程序可以打開和關(guān)閉操作或監(jiān)視器鎖、門鎖控制。還可以檢測室內(nèi)溫度和濕度。使門更安全。

關(guān)鍵詞： WiFi;指紋門鎖;單片機(jī)控制;物聯(lián)網(wǎng)

一、項目研究現(xiàn)狀與分析：

隨著物聯(lián)網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略，智能家居作為重點(diǎn)應(yīng)用頻繁出現(xiàn)在中央及地方政策中?；ヂ?lián)網(wǎng)+、智慧生活、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的觸角已伸向每家每戶都離不開的門鎖 [1-2] ，智能門鎖作為智能家庭的入口占有舉足輕重的地位。近年來人們生活水平逐步提高，人們的安全防范意識和對生活品質(zhì)要求也隨之提高，所以智能門鎖應(yīng)用也會更為廣泛。無線通信方式控制的智能門鎖的優(yōu)點(diǎn)在于不進(jìn)行數(shù)據(jù)對比處理，只做數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸，更為安全可靠，而且無線智能門鎖使用較為方便，不需要大量布線;而且可以和智能家居控制系統(tǒng)相結(jié)合，以提高安防性能 [3] 。目前智能門鎖的無線通訊方式主要有 ZigBee、藍(lán)牙、WiFi 等，以 ZigBee 無線通信技術(shù)為核心，設(shè)計了一款適用于集中式辦公樓宇的電子門鎖智能測控系統(tǒng)[4] 。結(jié)合ZigBee技術(shù)與GPRS 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一套遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng) [5] 。運(yùn)用 NFC 的數(shù)字化智能技術(shù)，對門禁系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化及智能化的研究設(shè)計 [6] 。藍(lán)牙通信模塊組網(wǎng)實現(xiàn)對整個家居系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了任意手機(jī)終端遠(yuǎn)程 GSM通信，遠(yuǎn)程控制智能家居 [7] 。隨著WiFi覆蓋率的逐步擴(kuò)大，WiFi作為通訊方式的產(chǎn)品成為研究熱點(diǎn)。國外對智能電子鎖的使用較多 [8-10] ，而國內(nèi)電子鎖市場由于生產(chǎn)、技術(shù)等的原因的限制，價格普遍偏高，限制了電子鎖市場的發(fā)展。本基于 WiFi通訊方式的無線智能門鎖能達(dá)到控制方便快捷、成本較低，能廣泛應(yīng)用于家庭。

二、項目研究內(nèi)容和目標(biāo)：

（一）內(nèi)容

通過STM32F103ZET6單片機(jī)，經(jīng)過無線通信模塊ESP8266通訊，經(jīng)過云平臺，實現(xiàn)門鎖與手機(jī)的相互聯(lián)絡(luò)，再通過室內(nèi)DHT11采集溫度、濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過云平臺發(fā)送給手機(jī)，再通過手機(jī)上預(yù)設(shè)的開關(guān)，實現(xiàn)門鎖的開關(guān)。實現(xiàn)對門鎖的智能化。進(jìn)而實現(xiàn)對非智能的家用電器的智能化，達(dá)到省電，安全，健康的目的。

（二）目標(biāo)

實現(xiàn)智能門鎖與手機(jī)的無線通信，人可以在手機(jī)上隨時隨地的控制自己家門的開關(guān)，還能檢測室內(nèi)的溫濕度，煙霧指數(shù)，在斷電時可以通過指紋開鎖。方便人們的生活，使門鎖更加智能。溫度濕度過高或者煙霧指數(shù)過高會通過APP向手機(jī)發(fā)出警報。

三、項目技術(shù)硬件

（一）MCU

MCU是該系統(tǒng)的核心，主要完成不同信息的采集，進(jìn)而實現(xiàn)不同的處理。本次采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為MCU.

（二）無線模塊：

該部分可用ESP8266或Zigbee兩種方案實施。出于成本，本項目擬用ESP8266無線模塊外加功率放大器實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線信息傳輸。

（三）溫濕度采集模塊：

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。精度不夠則換為DS18B20。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。其精度濕度+-5%RH， 溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH， 溫度0～50℃。DHT11的供電電壓為3-5.5V。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。

DHT11采用的總線方式為單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊的時間是4ms左右，數(shù)據(jù)發(fā)送分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。

（四）煙霧采集模塊：

MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200～300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。

（五）指紋模塊：

指紋門禁以手指取代傳統(tǒng)的鑰匙，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成開鎖任務(wù)，操作十分簡便，避免了其它門禁系統(tǒng)（傳統(tǒng)機(jī)械鎖、密碼鎖、識別卡等）有可能被偽造、盜用、遺忘、破譯等弊端。

（六）電磁鎖

12v電磁鎖，磁力鎖 （或稱電磁鎖）的設(shè)計和電磁鐵一樣，是利用電生磁的原理，當(dāng)電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達(dá)到鎖門的效果。只要小小的電流電磁鎖就會產(chǎn)生莫大的磁力，控制電磁鎖電源的門禁系統(tǒng)識別人員正確后即斷電，電磁鎖失去吸力即可開門。

四、安全機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

ESP82266模塊支持多種類型的無線加密方式，如WEP、WPA-PSK/TKIP、WPA -PSK/AES、WPA2-PSK/TKIP、WPA2-PSK/AES。本系統(tǒng)中，采用WAP-PSK/AES無線網(wǎng)絡(luò)加密方式。USR-Wi Fi232-X模塊支持TCP/UDP無線通信協(xié)議，USR-Wi Fi232-X網(wǎng)絡(luò)端接口既可工作在服務(wù)器模式下，也可工作于客戶端模式，用戶可通過Web或串口發(fā)送AT+命令這兩種方式進(jìn)行模式選擇。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)有以下功能：

（1）手機(jī)通過云平臺APP實現(xiàn)與門鎖的鏈接。

（2）單片機(jī)主程序處理收到的開鎖信號，并將該信號發(fā)給電磁鎖，同時電磁鎖開鎖。

（3）SP8266子程序主要功能為啟動 WiFi，以 AT指令的形式修改 WiFi的名稱與密碼，將開鎖信號發(fā)送給單片機(jī)。

（4）STM32F103ZET6子程序主要功能為存儲和讀取指紋模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，將指紋模塊開鎖信號發(fā)送到電磁鎖，實現(xiàn)開鎖。

（5）電磁鎖子程序讀取單片機(jī)的信號并驅(qū)動門鎖。

六、結(jié) 論

（1）該門鎖使家用門鎖智能化，讓我們的生活更加智能。一般的門鎖需要鑰匙開鎖，如果我們忘帶鑰匙那我們在門口就會無能為力。但是應(yīng)用WiFi智能指紋門鎖，就算沒有鑰匙我們也能通過手機(jī)app開鎖，當(dāng)停電或者WiFi不在線時也能通過指紋解鎖。這樣就可以減少鑰匙的使用。也可以節(jié)省鑰匙的資源，也不用擔(dān)心鑰匙丟失。只需要一個智能手機(jī)就能解決所有問題。這樣我們的生活就會更智能。

（2）可以在室外觀察室內(nèi)溫濕度，可以觀察好室內(nèi)的狀況，室外進(jìn)入室內(nèi)溫度的驟變引起的不適可以有效減緩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 項宇楠，胡小小，李章東，等.帶語音識別的智能門鎖設(shè)計[J] .物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018（10）：90-93.

作者簡介：

王皓（1997-），性別男，民族滿族，職稱在校學(xué)生，籍貫：黑龍江省哈爾濱市，本科學(xué)歷，電氣工程專業(yè)，電氣研究方向。