基于藍(lán)牙的智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖的安全性、可靠性和智能化，采用STC15F2K32S2單片機(jī)、藍(lán)牙串口模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、電流監(jiān)測(cè)模塊等設(shè)計(jì)了一種無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)和智能手機(jī)等智能藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)鎖的開(kāi)鎖、閉鎖、參數(shù)設(shè)置等操作，并采用密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密等方式保證系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作方便，完全達(dá)到了實(shí)際使用要求。

引言

　　門(mén)鎖是與人們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最為緊密的物品之一。隨著社會(huì)、科技、文化的進(jìn)步，人們對(duì)門(mén)鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)機(jī)械門(mén)鎖的安全性已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們的需求，傳統(tǒng)機(jī)械門(mén)鎖正在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，技術(shù)及科技含量較高的智能鎖具，如密碼鎖、IC卡鎖、指紋鎖、無(wú)線(xiàn)遙控鎖等以其智能化和成熟的技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)鎖具^[1] 。

1 系統(tǒng)概述

　　為了增強(qiáng)門(mén)鎖的安全性、可靠性，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化，設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可配合傳統(tǒng)機(jī)械鎖共同使用，該系統(tǒng)主要由門(mén)鎖控制系統(tǒng)和智能移動(dòng)設(shè)備藍(lán)牙客戶(hù)端軟件兩部分構(gòu)成，門(mén)鎖控制系統(tǒng)由STC15F2K32S2單片機(jī)、藍(lán)牙串口模塊、繼電器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鎖閂、限位開(kāi)關(guān)等模塊組成，藍(lán)牙串口模塊以從模式進(jìn)行廣播，等待智能移動(dòng)設(shè)備作為主設(shè)備進(jìn)行掃描、地址配對(duì)以及密碼驗(yàn)證等，完成密碼驗(yàn)證后，雙方以3DES加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。STC15單片機(jī)對(duì)藍(lán)牙串口模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密或者解密，當(dāng)收到合法的開(kāi)鎖或閉鎖命令后，STC15單片機(jī)控制繼電器使電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)門(mén)閂完成開(kāi)鎖、閉鎖操作，并通過(guò)監(jiān)測(cè)限位開(kāi)關(guān)和電流傳感器來(lái)保證操作的準(zhǔn)確性和安全性。設(shè)計(jì)的兩個(gè)按鍵方便在屋內(nèi)進(jìn)行開(kāi)鎖和閉鎖操作，LED燈和蜂鳴器起到提示和報(bào)警作用，霍爾開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)門(mén)是否關(guān)好。智能移動(dòng)設(shè)備藍(lán)牙客戶(hù)端軟件主要完成系統(tǒng)登錄、藍(lán)牙地址配對(duì)、密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、解密、開(kāi)鎖、閉鎖命令、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要手段，并可對(duì)按鍵操作實(shí)現(xiàn)屏蔽。該系統(tǒng)無(wú)需機(jī)械鑰匙，非接觸、無(wú)磨損，并具有三道安全技術(shù)保障，批量投入使用，將會(huì)產(chǎn)生較好的社會(huì)效益。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)的STC15F2K32S2單片機(jī)、繼電器和ACS712ELC芯片等模塊的工作電壓都是5V， 5V電源需要的功率較大，電源設(shè)計(jì)采用了效率更高、功能更強(qiáng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576-5.0。LM2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路^[2] 。電機(jī)的工作的電壓是12V，由電源變壓器和備用蓄電池通過(guò)J2供電。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護(hù)電路，當(dāng)因其他原因致使輸出電壓超過(guò)5.3V以上時(shí)，D2導(dǎo)通，從而使自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1斷開(kāi)，起到自動(dòng)保護(hù)作用。D4、D5是系統(tǒng)的LED狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)主控電路接口設(shè)計(jì)

　　綜合成本、性能等各方面考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SOP28封裝單片機(jī)STC15F2K32S2，它是單機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，具有高速、高可靠、超低功耗、超級(jí)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場(chǎng)合^[3] 。它內(nèi)部具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用該單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM可以存儲(chǔ)系統(tǒng)密碼、配對(duì)地址、設(shè)置參數(shù)等，無(wú)需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器^[4] 。

　　系統(tǒng)采用的藍(lán)牙串口模塊是FBT-06，F(xiàn)BT-06是小尺寸藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，它內(nèi)置PCB天線(xiàn)，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，專(zhuān)為嵌入式智能無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸而打造，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能^[5] 。藍(lán)牙模塊的EN使能端和單片機(jī)的P3.4相連接，高電平有效;模塊工作電壓為3.3V～6V，此處5V供電即可;通過(guò)STC15單片機(jī)的串口把AT指令發(fā)給藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串行數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)透?jìng)?藍(lán)牙串口模塊的STATE端口和單片機(jī)的P3.2相連接，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)該端口可以了解藍(lán)牙模塊的工作狀態(tài)，P3.2端口為高電平時(shí)表示藍(lán)牙設(shè)備連接成功。

　　STC15單片機(jī)自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器可以完成對(duì)電流傳感器信號(hào)VOUT的采集、轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)和設(shè)定的電流閥值比較來(lái)保證電機(jī)和系統(tǒng)的安全。按鍵K1、K2可以在屋內(nèi)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開(kāi)鎖、閉鎖等功能，并且按鍵K1、K2的功能可通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙客戶(hù)端軟件進(jìn)行屏蔽，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的安全性、方便性和靈活性。限位開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)鎖閂在開(kāi)鎖、閉鎖時(shí)是否運(yùn)行到位，一旦STC15單片機(jī)檢測(cè)到P2.4或P2.5為低電平，則說(shuō)明鎖閂運(yùn)行到位，并立即控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到安全保護(hù)目的。U7是霍爾開(kāi)關(guān)傳感器，如果門(mén)沒(méi)有關(guān)好，它會(huì)向單片機(jī)輸出高電平信號(hào)，單片機(jī)則控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示。系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.3 鎖閂控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　鎖閂由直流電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)，考慮到直流電機(jī)的工作電壓較高，STC15單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器采用了光耦隔離。當(dāng)光耦U4導(dǎo)通、U5截止時(shí)，繼電器JDQ1的1引腳接+12V，而繼電器JDQ2的1引腳接地，此時(shí)電機(jī)M1實(shí)現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)鎖閂鎖門(mén);當(dāng)光耦U4截止、U5導(dǎo)通時(shí)則電機(jī)M1反向轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)鎖閂開(kāi)門(mén);而當(dāng)光耦U4、U5同時(shí)截止或?qū)〞r(shí)，電機(jī)因其兩端的電壓相同而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。為防止電機(jī)因所受阻力過(guò)大而損壞，采用了電機(jī)電流監(jiān)測(cè)傳感器ACS712ELCTR-05B，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應(yīng)的線(xiàn)性電流傳感器，它的最大工作電流是±5A，靈敏度是185mV/A。ACS712ELC具有高絕緣電壓、單電源操作、極低內(nèi)部傳導(dǎo)電阻等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、汽車(chē)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測(cè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的精密解決方案^[6] 。ACS712ELC電流傳感器監(jiān)測(cè)通過(guò)電機(jī)的電流值，并傳遞給STC15單片機(jī)實(shí)時(shí)處理，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大到一定程度，通過(guò)電機(jī)的電流值超過(guò)預(yù)先設(shè)定閥值時(shí)，STC15單片機(jī)立即控制繼電器使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到安全保護(hù)作用。其中，D6和D7是保護(hù)二極管，C6-C9是高壓電容，可以起到保護(hù)電路的作用。鎖閂電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。