0 引言

    Android智能手机占领了大部分的手机市场^[1]，通信网络的进步以及智能芯片在企业、人群和物体中的广泛应用，为“互联网+”时代奠定了坚实的基础。当前人们生活中大都还是使用钥匙开锁，这样出门时常要带钥匙，有时钥匙丢了还要配上相应的钥匙，非常不方便。一些智能门禁系统主要是通过智能IC卡^[2，3]、指纹^[4]、光传送密码^[5]或生物特征来识别访客的身份，不适用当前人们普遍使用的家庭锁。首先，读卡机除能识别IC卡外，也可通过键盘输入卡片内置码进行识别，这样就无法确认是否为持卡者本人；其次，只认IC卡不认人的管理无法进行精确的身份辨认；再者，门禁系统的监管无法追踪进出人员的信息。传统的安防门禁系统急需互联网智能化改革，实现在线化、数据化。

    本系统通过蓝牙和WiFi模块将门锁、手机、服务器三者联接起来，赋予了锁“听”“说”的交流能力，提出了一种新的智能锁设计模式。手机用户通过蓝牙发送指令控制开锁和关锁，为了更安全起见，开锁时摄像头会拍一张现场的照片。通过WiFi将开锁用户信息和照片发送给服务器，服务器将数据同步到家人的手机上，这样家人在手机上可以知道家中锁的状态及开锁人的体型甚至容貌，从而可以实时了解家中的状况，若发觉情况不正常可及时找附近的邻居查看，甚至报警。

1 平台

1.1 开发实现平台

    (1)移动终端:adt-bundle-eclipse+ADK18以上。

    (2)服务器端：Linux(Ubuntu 14 LTS) Qt5.2。

    (3)门禁硬件：Windows 7，Keil。

1.2 系统运行平台

    (1)移动终端： 支持Android 4.3以上的移动终端。

    (2)服务器端：服务器Linux(Ubuntu 14 LTS)。

    (3)STM32F103RBT6。

2 系统功能

2.1 整体框架

    采用HTML5的WebSocket协议通过互联网实现智能手机终端与云端服务器端相联；门禁锁通过WiFi模块与云端服务器端通过TCP相互通信；智能手机端通过低功耗的Bluetooth与门禁锁近距离通信，从而实现门禁锁、服务器、智能终端两两循环互联，如图1所示。

2.2 初始化锁

    打开智能手机App扫描锁上的二维码完成初始化，每一把智能锁都对应唯一的二维码，二维码中包含了智能锁硬件中的蓝牙和iBeacon的信息。这样装有该智能锁的用户只能开关自家的锁，初始化二维码如图2所示。

2.3 添加和删除用户

    为了安全起见，该系统添加用户是由智能手机App和智能锁共同完成的。手机发送添加用户命令，只有按下智能锁上的添加用户按钮才可完成添加。添加的用户同步到服务器上。删除用户同理。

2.4 开锁及指令执行流程

    家庭用户开锁流程如图3所示。

    门禁硬件接收到手机App发送的蓝牙指令后的流程图如图4。服务器接收到数据后保存到数据库，同时信息同步到手机App上。

3 系统实现

3.1 门锁硬件实现

    整个门禁硬件框图如图5所示。

3.1.1 主控芯片

    STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex M3 32位的RISC内核，工作频率可达72 MHz，内置高速存储器，具有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器，还包含了3个标准的USART通信接口。

3.1.2 蓝牙模块

    该蓝牙主控芯片采用TI公司研发的符合蓝牙4.0标准的高性价比、低功耗的单模芯片CC2540^[6]。蓝牙是通过串口通信，AT指令可以配置蓝牙，如AT+RESET可复位蓝牙，AT+BAUD=x，y配置蓝牙工作的波特率等。

3.1.3 TLN13UA06 WiFi模块

    (1)该模块支持多种无线网络加密方式，能充分保证用户数据的安全传输，包括：WEP64、WEP128、WPA-PSK/TKIP、WPA-PSK/CCMP、WPA2-PSK/TKIP、WPA2-PSK/CCMP。

    (2)本模块作为STA时，支持在联网过程中绑定目的网络BSSID地址（即MAC地址）的功能。通过BSSID地址绑定的方式，可以防止STA接入到非法的网络，从而提高无线网络的安全性。还有一种更安全的检测方法，通过检测距离来判断是否为非法入侵^[7]。

    (3)该模块内置一个完整的TCP/IP协议栈，支持TCP/UDP/ICMP/ARP/DHCP/DNS/HTTP协议，支持基于AT+指令的SOCKET编程接口。

3.1.4 液晶显示模块

    OLED液晶显示模块大小0.96寸，支持流行的I2C和SPI接口通信,易于操作，占用空间小。

3.1.5 步进电机驱动芯片

    驱动芯片ULN2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅 NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：

    (1)ULN2003的每一对达林顿都串联一个 2.7 k?赘的基极电阻，在5 V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

    (2)ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，并且能够在关态时承受50 V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

3.1.6 摄像头模块

    采用现有的DSP+摄像头模块，结构如图6所示，UART可以接STM32的USART接口实现串口发送指令控制拍照等功能。

3.2 智能手机App功能实现

3.2.1 “功能切换”

    有3个功能切换：距离开关、声音开关、方向开关，3个功能只能一个打开，用于设置当前开锁的控制模式。

    (1)打开距离开关时，只能通过Androids Service后台监听iBeacon发出的距离广播，当距离数值达到2 m以内，向门禁硬件发送开锁指令。当用户携带智能手机靠近家门时，智能手机将搜索门锁距离，达到初始设定距离后自动与门禁系统通信，进行用户身份密码识别，若验证成功，门锁自动打开。用户无需拿出手机，无需任何操作，完全智能化。

    (2)打开声音开关时，当前如果智能手机与门禁硬件控制器的蓝牙保持连接，当Android近距离感应Proximity检测到近距离，就启动语音识别麦克风监听用户说话，当识别到用户有说到开门的意思，就给门禁硬件控制器发送开门指令。

    (3)打开方向开关时，关闭距离感应开关和声音识别开关，如果蓝牙保持连接，就启动陀螺仪，如图7，方向监听用户手机方向，当监听到智能手机方向与预设方向一致，就给门禁硬件发送开门指令。待到门禁硬件控制器验证用户成功之后，门锁自动打开。

3.2.2 方向置定

    每一用户可以设置预设一个方向，打开“方向开关”时，听到的方向与预设向一致，就发送开锁命令，待到门禁硬件进行用户验证，成功之后，就能自动开锁。

3.2.3 发现界面

    只要门禁控制器检测到门禁的状态变化，就会向服务器推送状态数据，云端服务器会实时地向用户推送门禁系统状态信息，从而用户就可以实时的监控家里的门禁系统，便知道谁、何时对门禁锁做何种动作，通知用户家中门禁状况，保证家中财产安全。

3.2.4 APP后台程序

    APP后台Service如图8所示。APP最主要的逻辑基本都在后台Service中运行，从而使用户实现新体验，即方便、快捷的开锁方式。

4 结论

    本文通过蓝牙和WiFi传输技术实现了智能手机、门禁、服务器三者的两两互联，用户可以通过智能手机灵活地控制开关锁，减少了用户开锁的复杂过程，给用户带来新的体验。同时，该系统设计了二维码和监控部分，使得与传统的开锁方式相比更加便捷和安全。

参考文献

[1] GARTNER A.Market share analysis：Mobile phones，world-wide，4Q13 and2013[EB/OL].(2014-02)[2016-05].http：//www.gartner.com/doc/2665319.

[2] 孙志锋，沈义民.宾馆酒店IC卡智能电子门锁系统的研制[J].计算机工程与应用，2000，36(9)：160-162.

[3] 孙炳阳.基于CAN总线的非接触式IC卡门禁与巡更监察系统[J].计算机工程与应用，2002，38(19)：243-245.

[4] 李鹏飞，许照烜.基于.NET的网络指纹门禁系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2006(12)：3571-3573.

[5] 邓健志，程小辉，李广君.可见光控门禁的研制[J].光电子：激光，2014(3)：454-459.

[6] 金纯，贾珍梅，刘鲁云，等.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术，2015，39(1)：60-64.

[7] 房鼎益，祁生德，汤战勇，等.一种基于RSSI的智能家居环境Evil-Twin攻击的检测方法[J/OL].计算机学报，2016(39).[2016-03-10].http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1826.tp.20160310.1949.006.html.

作者信息:

朱航江，潘振福，朱永利

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定071000）