基于藍牙的智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)門鎖的安全性、可靠性和智能化，采用STC15F2K32S2單片機、藍牙串口模塊、驅(qū)動電機、限位開關(guān)、電流監(jiān)測模塊等設(shè)計了一種無線智能門鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)和智能手機等智能藍牙設(shè)備進行人機交互，實現(xiàn)對門鎖的開鎖、閉鎖、參數(shù)設(shè)置等操作，并采用密碼驗證、數(shù)據(jù)加密等方式保證系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作方便，完全達到了實際使用要求。

引言

　　門鎖是與人們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最為緊密的物品之一。隨著社會、科技、文化的進步，人們對門鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來越高，傳統(tǒng)機械門鎖的安全性已經(jīng)越來越不能滿足人們的需求，傳統(tǒng)機械門鎖正在面臨著嚴(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、無線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

　　為了增強門鎖的安全性、可靠性，并進一步實現(xiàn)智能化，設(shè)計了一種基于藍牙的無線智能門鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以單獨使用，也可配合傳統(tǒng)機械鎖共同使用，該系統(tǒng)主要由門鎖控制系統(tǒng)和智能移動設(shè)備藍牙客戶端軟件兩部分構(gòu)成，門鎖控制系統(tǒng)由STC15F2K32S2單片機、藍牙串口模塊、繼電器、驅(qū)動電機、鎖閂、限位開關(guān)等模塊組成，藍牙串口模塊以從模式進行廣播，等待智能移動設(shè)備作為主設(shè)備進行掃描、地址配對以及密碼驗證等，完成密碼驗證后，雙方以3DES加密方式進行數(shù)據(jù)通訊。STC15單片機對藍牙串口模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密或者解密，當(dāng)收到合法的開鎖或閉鎖命令后，STC15單片機控制繼電器使電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，帶動門閂完成開鎖、閉鎖操作，并通過監(jiān)測限位開關(guān)和電流傳感器來保證操作的準(zhǔn)確性和安全性。設(shè)計的兩個按鍵方便在屋內(nèi)進行開鎖和閉鎖操作，LED燈和蜂鳴器起到提示和報警作用，霍爾開關(guān)用來檢測門是否關(guān)好。智能移動設(shè)備藍牙客戶端軟件主要完成系統(tǒng)登錄、藍牙地址配對、密碼驗證、數(shù)據(jù)加密、解密、開鎖、閉鎖命令、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作，是實現(xiàn)人機交互的主要手段，并可對按鍵操作實現(xiàn)屏蔽。該系統(tǒng)無需機械鑰匙，非接觸、無磨損，并具有三道安全技術(shù)保障，批量投入使用，將會產(chǎn)生較好的社會效益。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

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

　　由于系統(tǒng)的STC15F2K32S2單片機、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)計采用了效率更高、功能更強的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576-5.0。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(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] 。電機的工作的電壓是12V，由電源變壓器和備用蓄電池通過J2供電。自恢復(fù)保險絲F1和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護電路，當(dāng)因其他原因致使輸出電壓超過5.3V以上時，D2導(dǎo)通，從而使自恢復(fù)保險絲F1斷開，起到自動保護作用。D4、D5是系統(tǒng)的LED狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計原理圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)主控電路接口設(shè)計

　　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)計生產(chǎn)的SOP28封裝單片機STC15F2K32S2，它是單機器周期(1T)的單片機，具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點，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、強干擾等場合^[3] 。它內(nèi)部具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用該單片機內(nèi)部的EEPROM可以存儲系統(tǒng)密碼、配對地址、設(shè)置參數(shù)等，無需再外擴存儲器^[4] 。

　　系統(tǒng)采用的藍牙串口模塊是FBT-06，F(xiàn)BT-06是小尺寸藍牙轉(zhuǎn)串口模塊，它內(nèi)置PCB天線，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點，專為嵌入式智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)強大功能^[5] 。藍牙模塊的EN使能端和單片機的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STC15單片機的串口把AT指令發(fā)給藍牙模塊，實現(xiàn)藍牙串行數(shù)據(jù)無線透傳;藍牙串口模塊的STATE端口和單片機的P3.2相連接，單片機通過檢測該端口可以了解藍牙模塊的工作狀態(tài)，P3.2端口為高電平時表示藍牙設(shè)備連接成功。

　　STC15單片機自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器可以完成對電流傳感器信號VOUT的采集、轉(zhuǎn)換功能，通過和設(shè)定的電流閥值比較來保證電機和系統(tǒng)的安全。按鍵K1、K2可以在屋內(nèi)實現(xiàn)手動開鎖、閉鎖等功能，并且按鍵K1、K2的功能可通過手機藍牙客戶端軟件進行屏蔽，進一步增加了系統(tǒng)的安全性、方便性和靈活性。限位開關(guān)用來檢測鎖閂在開鎖、閉鎖時是否運行到位，一旦STC15單片機檢測到P2.4或P2.5為低電平，則說明鎖閂運行到位，并立即控制電機停止轉(zhuǎn)動，達到安全保護目的。U7是霍爾開關(guān)傳感器，如果門沒有關(guān)好，它會向單片機輸出高電平信號，單片機則控制蜂鳴器發(fā)出報警提示。系統(tǒng)主控電路設(shè)計原理圖如圖3所示。

2.3 鎖閂控制系統(tǒng)電路設(shè)計

　　鎖閂由直流電機通過齒輪帶動，考慮到直流電機的工作電壓較高，STC15單片機驅(qū)動繼電器采用了光耦隔離。當(dāng)光耦U4導(dǎo)通、U5截止時，繼電器JDQ1的1引腳接+12V，而繼電器JDQ2的1引腳接地，此時電機M1實現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動，并帶動鎖閂鎖門;當(dāng)光耦U4截止、U5導(dǎo)通時則電機M1反向轉(zhuǎn)動，并帶動鎖閂開門;而當(dāng)光耦U4、U5同時截止或?qū)〞r，電機因其兩端的電壓相同而停止轉(zhuǎn)動。為防止電機因所受阻力過大而損壞，采用了電機電流監(jiān)測傳感器ACS712ELCTR-05B，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，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，可為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟實惠的精密解決方案^[6] 。ACS712ELC電流傳感器監(jiān)測通過電機的電流值，并傳遞給STC15單片機實時處理，當(dāng)電機負(fù)載增大到一定程度，通過電機的電流值超過預(yù)先設(shè)定閥值時，STC15單片機立即控制繼電器使電機停止轉(zhuǎn)動，從而起到安全保護作用。其中，D6和D7是保護二極管，C6-C9是高壓電容，可以起到保護電路的作用。鎖閂電機控制系統(tǒng)電路設(shè)計原理圖如圖4所示。