安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 劉 旻

針對電網(wǎng)中現(xiàn)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(shè)計了利用無線藍(lán)牙模塊和無線充電模塊的手機藍(lán)牙無源鎖。具體功能有：增加了遠(yuǎn)程遙控開關(guān)鎖、鑰匙利用線圈的電磁感應(yīng)來給鎖具供電、顯示鎖具狀態(tài)、保存鎖具操作記錄等功能。

手機藍(lán)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(gòu)成。該鎖是在傳統(tǒng)機械鎖的基礎(chǔ)上，增加了遠(yuǎn)程開關(guān)鎖具、無線充電、APP中保存操作記錄等功能。

1 手機藍(lán)牙無源鎖的總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由STM32單片機作為主控芯片、無線發(fā)送和接收的充電電源模塊實現(xiàn)無線充電、藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和傳輸、霍爾傳感器模塊感應(yīng)鎖具狀態(tài)、電源模塊提供穩(wěn)定的3.3V直流電壓、電機驅(qū)動模塊帶動電機轉(zhuǎn)動，通過這些模塊實現(xiàn)無線充電、進(jìn)行移動終端和鎖具之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 霍爾傳感器模塊

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

圖2 傳感器模塊

2.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)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(qū)動芯片輸出不同的電壓?？刂埔?guī)律：輸入信號IN1、IN2電位均為低電位時，電機處于閑置狀態(tài)；IN1、IN2均為高電平時，電機停止轉(zhuǎn)動；IN1為低電平，IN2為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；IN1為高電平，IN2為低電平時，電機正轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動模塊如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動模塊

2.3 藍(lán)牙模塊

RF-BM-4044B4是一種基于TI-CC2640的藍(lán)牙低能耗數(shù)據(jù)模塊。手機App通過藍(lán)牙模塊接收并處理數(shù)據(jù)包，處理結(jié)束后藍(lán)牙模塊再把手機發(fā)送的命令傳送給鎖具單片機，藍(lán)牙模塊作為數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。可以通過控制LED燈顯示連接狀態(tài)，藍(lán)牙連接成功，狀態(tài)指示燈常亮；藍(lán)牙斷開連接，狀態(tài)指示燈熄滅。藍(lán)牙模塊如圖4所示。

圖4 藍(lán)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(fā)送端和鎖具接收端芯片，根據(jù)電磁感應(yīng)原理傳遞能量實現(xiàn)無線充電。成本低、效率高、抗干擾能力強、充電穩(wěn)定是選擇它的重要原因。

3 軟件設(shè)計

3.1 藍(lán)牙通訊協(xié)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(guān)鎖命令；

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

（4）2位隨機碼：偽隨機數(shù)；

（5）4位開關(guān)次數(shù)：當(dāng)前鎖已經(jīng)開關(guān)動作的總次數(shù)。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

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

3.2 系統(tǒng)流程圖

此次設(shè)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(jìn)行編程。

鑰匙靠近小鎖進(jìn)行無線充電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，霍爾傳感器將采集得到的實時數(shù)據(jù)傳送到鎖具STM32單片機內(nèi)，單片機根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)按照我們所規(guī)定的協(xié)議打包成加密數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過藍(lán)牙模塊傳送給移動終端，App通過對數(shù)據(jù)包的解密獲得鎖具狀態(tài)，用戶登錄App點擊圖標(biāo)進(jìn)行開關(guān)鎖操作，手機將這個操作命令同樣以數(shù)據(jù)包形式通過藍(lán)牙模塊傳送給小鎖單片機，單片機根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密然后下達(dá)開關(guān)鎖命令，電機驅(qū)動模塊收到命令做出相應(yīng)的動作，實現(xiàn)鎖具的開關(guān)操作。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

結(jié)語：本文設(shè)計的基于STM32單片機手機藍(lán)牙無源鎖，實現(xiàn)了鎖具狀態(tài)的數(shù)據(jù)實時上傳，遠(yuǎn)程操控開關(guān)鎖，安全性和方便性得到了很大的提升，滿足電網(wǎng)實際應(yīng)用需求，有較好的發(fā)展前景。