作者：柏 佳，魏 鑫，朱 廣，成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，來源：2019年電子技術(shù)應(yīng)用第8期

摘要： 隨著人們安防意識(shí)的不斷增強(qiáng)和智能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，針對(duì)用戶對(duì)安全系數(shù)高的智能電子鎖的需求，使用FPGA藍(lán)牙通信技術(shù)設(shè)計(jì)了基于FPGA藍(lán)牙通信技術(shù)的智能電子鎖系統(tǒng)。通過手機(jī)APP直接控制電子鎖，對(duì)電子鎖進(jìn)行雙重加密處理，具有開鎖、修改密碼，管理員控制用戶開鎖信息表，增添和刪除能開鎖的用戶信息等功能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)使用方便，動(dòng)態(tài)靈活，安全可靠。

0 引言

智能家居日趨火熱，而智能電子鎖是其重要組成部分。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖安全性能不強(qiáng)，容易出現(xiàn)翻找鑰匙的麻煩情況和忘帶鑰匙或丟失鑰匙的尷尬情況[1]。一般的智能電子鎖加密性不強(qiáng)，基于FPGA藍(lán)牙通信技術(shù)的智能電子鎖保密性強(qiáng)、靈活性好、安全系數(shù)高、功能多樣化，可以讓人們的生活變得更安全，更便捷，更智能[2-4]。

1 智能電子鎖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 智能電子鎖系統(tǒng)架構(gòu)

智能電子鎖系統(tǒng)使用支持藍(lán)牙4.0的手機(jī)與FPGA板卡上的藍(lán)牙模塊建立連接，通過手機(jī)APP發(fā)送命令，通過串口發(fā)送和串口接收模塊來完成與藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸。通過命令解析模塊與命令響應(yīng)模塊來對(duì)簡(jiǎn)單的串口命令進(jìn)行解析、識(shí)別和判斷及執(zhí)行，進(jìn)而控制與FPGA板卡連接的繼電器的通斷，來實(shí)現(xiàn)電子鎖的開關(guān)功能。FPGA在接收到藍(lán)牙模塊傳輸進(jìn)來的串口數(shù)據(jù)后，會(huì)將相應(yīng)數(shù)據(jù)以及命令響應(yīng)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)APP，在這個(gè)過程中采用FIFO來存儲(chǔ)所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。智能電子鎖系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 智能電子鎖設(shè)計(jì)

若將此智能電子鎖應(yīng)用于辦公室，鎖A是辦公室大門，鎖1、鎖2、鎖3是用戶1、用戶2、用戶3的儲(chǔ)物柜。若用戶輸入的手機(jī)號(hào)存在于該系統(tǒng)中，則辦公室大門打開，再輸入密碼，若用戶和密碼與某一個(gè)儲(chǔ)物柜匹配，則該儲(chǔ)物柜打開，如圖2所示。該系統(tǒng)的電子鎖對(duì)應(yīng)的用戶密碼信息保存在一張動(dòng)態(tài)表中，如表1所示(初始化的用戶密碼信息表)。此表會(huì)隨著管理員增添用戶、刪除用戶以及成員管理員修改密碼而實(shí)時(shí)更新[2]。

2 智能電子鎖系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙無線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標(biāo)準(zhǔn)之一。系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊是基于TI公司CC2541芯片的藍(lán)牙4.0模塊，具有256 KB配置空間，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范。本系統(tǒng)中的藍(lán)牙模塊出廠默認(rèn)設(shè)置為通過串口協(xié)議與FPGA進(jìn)行通信，按照UART串口通信協(xié)議來處理發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)。

UART串口協(xié)議是將傳輸數(shù)據(jù)每一個(gè)字符一位一位地傳輸。UART的數(shù)據(jù)幀格式為起始位1位，數(shù)據(jù)位5~8位，奇偶校驗(yàn)位1位或無校驗(yàn)，停止位1位、1.5位或2位。UART的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。為了加快開發(fā)進(jìn)程，本系統(tǒng)沒有設(shè)置奇偶校驗(yàn)位。采用的幀格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)位、1位停止位[5]。

2.2 電子鎖設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)具有開鎖、增添開鎖用戶信息、刪除開鎖用戶信息、修改密碼四個(gè)功能。用戶分管理員和成員兩個(gè)級(jí)別。管理員擁有全部的功能，而成員只擁有開鎖和修改密碼兩個(gè)功能。四個(gè)功能的具體過程如下。

2.2.1 開鎖

開鎖的具體過程如下：

(1)用戶輸入手機(jī)號(hào)，系統(tǒng)判斷手機(jī)號(hào)是否為全0，如果是全0，不開鎖A，更不會(huì)開鎖1、鎖2、鎖3。如果不是全0，則在表1查找，若輸入的手機(jī)號(hào)存在于此表中，則鎖A開，否則不開鎖A，更不會(huì)開鎖1、鎖2、鎖3。

(2)如果步驟(1)中鎖A開，用戶可再輸入密碼，系統(tǒng)則用輸入的密碼與表中該用戶對(duì)應(yīng)的密碼比較，若匹配鎖1的手機(jī)號(hào)和密碼，則開鎖1；若匹配鎖2的手機(jī)號(hào)和密碼，則開鎖2；若匹配鎖3的手機(jī)號(hào)的密碼，則開鎖3；否則，不開鎖1、鎖2、鎖3。

2.2.2 增添用戶信息

增添用戶信息具體過程：管理員輸入增添的手機(jī)號(hào)和密碼，系統(tǒng)尋找表中手機(jī)號(hào)和密碼為全0的用戶，然后將該用戶的手機(jī)號(hào)和密碼用輸入的手機(jī)號(hào)和密碼代替。比如輸入23456789和2345，則表1更新為表2。

2.2.3 刪除用戶信息

刪除用戶信息具體過程：管理員輸入刪除的手機(jī)號(hào)，系統(tǒng)尋找表中手機(jī)號(hào)與輸入的手機(jī)號(hào)相同的用戶，然后將該用戶的手機(jī)號(hào)和密碼用全0代替。比如輸入23456789，則表2更新為表3。

2.2.4 修改用戶密碼

修改用戶密碼具體過程：用戶輸入手機(jī)號(hào)、舊密碼和新密碼，系統(tǒng)尋找表中手機(jī)號(hào)與輸入的手機(jī)號(hào)相同且密碼相同的用戶，然后將該用戶的密碼用新密碼代替。比如輸入23456789、2345、2346，則表2更新為表4。

3 智能電子鎖系統(tǒng)功能測(cè)試

基于FPGA藍(lán)牙通信技術(shù)的智能電子鎖系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，測(cè)試過程如下：

(1)在安裝BLE藍(lán)牙串口終端APP，并打開手機(jī)藍(lán)牙，與FPGA板卡上的藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接配對(duì)。

(2)在APP中輸入對(duì)應(yīng)的命令來完成開鎖、增添用戶信息、刪除用戶信息、修改用戶密碼四個(gè)功能。

(3)如圖4所示，輸入用戶手機(jī)號(hào)存在于系統(tǒng)中，辦公室大門鎖A開(LED全亮)；輸入密碼正確則儲(chǔ)物柜1開(數(shù)碼管顯示00000001)。

備注：*Wxxxxxxxx:輸入手機(jī)號(hào)(開鎖)，*Nxxxx:輸入密碼(開鎖)，*Rxxxx:輸入新密碼(修改用戶密碼)，*Sxxxx:輸入手機(jī)號(hào)(增添用戶信息)，*Pxxxx：輸入密碼(增添用戶信息)，*Gxxxxxxxx:輸入手機(jī)號(hào)(刪除用戶信息)。

4 結(jié)論

此系統(tǒng)是基于安卓手機(jī)的智能電子鎖控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA對(duì)手機(jī)APP中輸入的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，以此數(shù)據(jù)作為雙重加密數(shù)據(jù)，控制電子鎖的打開，安全性高，加密性強(qiáng)，靈活性好。而且此系統(tǒng)功能多樣化，動(dòng)態(tài)化，在打開辦公室大門鎖的基礎(chǔ)上，不同的用戶打開不同的儲(chǔ)物柜鎖，在公共環(huán)境又擁有私密空間。不僅可以為空的儲(chǔ)物柜分配新的用戶，而且可以刪除用戶信息騰出儲(chǔ)物柜以便他人使用，用戶可以修改儲(chǔ)物柜的開鎖密碼，實(shí)時(shí)更新儲(chǔ)物柜的占用情況和開鎖條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊軍洲.基于FPGA的電子密碼鎖控制電路設(shè)計(jì)[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，30(6).

[2] 趙靜芬，阮海鵬，李境學(xué).基于FPGA手機(jī)控制智能密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013(2)：228.

[3] 崔巖，吳國(guó)興，顧媛媛，等.基于FPGA的紅外遙控密碼鎖的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(11)：44-46.

[4] 朱航江，潘振福，朱永利.“互聯(lián)網(wǎng)+”智能門禁控制系統(tǒng)[J].電子技應(yīng)用，2017，43(3)：124-126，131.

[5] 劉博.基于FPGA的UART模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2018，48(5)：433-438.

編輯：hfy