基于藍牙的智能門(mén)鎖控制系統設計

摘要：為了實(shí)現門(mén)鎖的安全性、可靠性和智能化，采用STC15F2K32S2單片機、藍牙串口模塊、驅動(dòng)電機、限位開(kāi)關(guān)、電流監測模塊等設計了一種無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鎖控制系統，該系統和智能手機等智能藍牙設備進(jìn)行人機交互，實(shí)現對門(mén)鎖的開(kāi)鎖、閉鎖、參數設置等操作，并采用密碼驗證、數據加密等方式保證系統的安全性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統安全可靠、操作方便，完全達到了實(shí)際使用要求。

引言

　　門(mén)鎖是與人們日常生活聯(lián)系最為緊密的物品之一。隨著(zhù)社會(huì )、科技、文化的進(jìn)步，人們對門(mén)鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來(lái)越高，傳統機械門(mén)鎖的安全性已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足人們的需求，傳統機械門(mén)鎖正在面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，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)正逐步取代傳統鎖具^[1] 。

1 系統概述

　　為了增強門(mén)鎖的安全性、可靠性，并進(jìn)一步實(shí)現智能化，設計了一種基于藍牙的無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鎖控制系統，該系統可以單獨使用，也可配合傳統機械鎖共同使用，該系統主要由門(mén)鎖控制系統和智能移動(dòng)設備藍牙客戶(hù)端軟件兩部分構成，門(mén)鎖控制系統由STC15F2K32S2單片機、藍牙串口模塊、繼電器、驅動(dòng)電機、鎖閂、限位開(kāi)關(guān)等模塊組成，藍牙串口模塊以從模式進(jìn)行廣播，等待智能移動(dòng)設備作為主設備進(jìn)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(jìn)行數據通訊。STC15單片機對藍牙串口模塊傳輸的數據進(jìn)行加密或者解密，當收到合法的開(kāi)鎖或閉鎖命令后，STC15單片機控制繼電器使電機正轉或者反轉，帶動(dòng)門(mén)閂完成開(kāi)鎖、閉鎖操作，并通過(guò)監測限位開(kāi)關(guān)和電流傳感器來(lái)保證操作的準確性和安全性。設計的兩個(gè)按鍵方便在屋內進(jìn)行開(kāi)鎖和閉鎖操作，LED燈和蜂鳴器起到提示和報警作用，霍爾開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測門(mén)是否關(guān)好。智能移動(dòng)設備藍牙客戶(hù)端軟件主要完成系統登錄、藍牙地址配對、密碼驗證、數據加密、解密、開(kāi)鎖、閉鎖命令、系統參數設置等操作，是實(shí)現人機交互的主要手段，并可對按鍵操作實(shí)現屏蔽。該系統無(wú)需機械鑰匙，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。系統的總體結構示意圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 系統電源設計

　　由于系統的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，電源設計采用了效率更高、功能更強的DC-DC轉換器LM2576-5.0。LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，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成高效穩壓電路^[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(guò)J2供電。自恢復保險絲F1和穩壓二極管D3構成電壓保護電路，當因其他原因致使輸出電壓超過(guò)5.3V以上時(shí)，D2導通，從而使自恢復保險絲F1斷開(kāi)，起到自動(dòng)保護作用。D4、D5是系統的LED狀態(tài)指示燈。系統電源設計原理圖如圖2所示。

2.2 系統主控電路接口設計

　　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(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統8051。內部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場(chǎng)合^[3] 。它內部具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用該單片機內部的EEPROM可以存儲系統密碼、配對地址、設置參數等，無(wú)需再外擴存儲器^[4] 。

　　系統采用的藍牙串口模塊是FBT-06，FBT-06是小尺寸藍牙轉串口模塊，它內置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)數據傳輸而打造，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現強大功能^[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(guò)STC15單片機的串口把AT指令發(fā)給藍牙模塊，實(shí)現藍牙串行數據無(wú)線(xiàn)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(guò)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(shí)表示藍牙設備連接成功。

　　STC15單片機自帶的12位高精度A/D轉換器可以完成對電流傳感器信號VOUT的采集、轉換功能，通過(guò)和設定的電流閥值比較來(lái)保證電機和系統的安全。按鍵K1、K2可以在屋內實(shí)現手動(dòng)開(kāi)鎖、閉鎖等功能，并且按鍵K1、K2的功能可通過(guò)手機藍牙客戶(hù)端軟件進(jìn)行屏蔽，進(jìn)一步增加了系統的安全性、方便性和靈活性。限位開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測鎖閂在開(kāi)鎖、閉鎖時(shí)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(shuō)明鎖閂運行到位，并立即控制電機停止轉動(dòng)，達到安全保護目的。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。系統主控電路設計原理圖如圖3所示。

2.3 鎖閂控制系統電路設計

　　鎖閂由直流電機通過(guò)齒輪帶動(dòng)，考慮到直流電機的工作電壓較高，STC15單片機驅動(dòng)繼電器采用了光耦隔離。當光耦U4導通、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M1實(shí)現正向轉動(dòng)，并帶動(dòng)鎖閂鎖門(mén);當光耦U4截止、U5導通時(shí)則電機M1反向轉動(dòng)，并帶動(dòng)鎖閂開(kāi)門(mén);而當光耦U4、U5同時(shí)截止或導通時(shí)，電機因其兩端的電壓相同而停止轉動(dòng)。為防止電機因所受阻力過(guò)大而損壞，采用了電機電流監測傳感器ACS712ELCTR-05B，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應的線(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、極低內部傳導電阻等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、汽車(chē)、商業(yè)和通信系統中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟實(shí)惠的精密解決方案^[6] 。ACS712ELC電流傳感器監測通過(guò)電機的電流值，并傳遞給STC15單片機實(shí)時(shí)處理，當電機負載增大到一定程度，通過(guò)電機的電流值超過(guò)預先設定閥值時(shí)，STC15單片機立即控制繼電器使電機停止轉動(dòng)，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。鎖閂電機控制系統電路設計原理圖如圖4所示。