“芝麻开门”智能锁设计
2015-07-07张萍崔旺刘晓冬宋晓宁梁冀
张萍，崔旺，刘晓冬，宋晓宁，梁冀
（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）
“芝麻开门”智能锁设计
张萍，崔旺，刘晓冬，宋晓宁，梁冀
（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）
设计的“芝麻开门”智能锁，是基于HT66FU50单片机控制步进电机的智能解锁装置．该设计近程解锁采用语音识别模块，将语音信息输入到主控芯片比对分析，正确则启动步进电机解锁，并辅以面部识别提高识别正确率．远程解锁是通过判断GSM接收到的短信与预定短信是否一致，一致则启动解锁，如短信错误或强加外力则发报警短信．本设计的优势在于成本低、实用性强、灵活的外围功能的扩展电路．
GSM模块；语音识别；HT66FU 50单片机；智能锁
当今时代科技飞速发展，智能家居已成为大家关注的焦点．随着一系列智能家居系统的飞速发展，未来3～5年智能锁将迎来井喷式发展．国外发达国家的智能锁应用比较广泛，美国智能锁占总销售额的60%左右，日本70%，韩国更是达到了90%，我国锁具行业2012年销售额达到600亿元，而智能锁仅占总销售额的5%左右，使用最多的仍是传统的机械锁，酒店宾馆等行业大多使用卡式感应锁，而智能锁一直受安全和成本问题所限未能广泛应用，还是概念产品，尚未得到推广[1-2]．因此开展智能锁的相关研究和设计具有重要的实用价值．
国内最近研究中有关于语音控制的智能锁，除了具有电子锁的功能外，还引入了智能化管理、语音分析等功能，不仅提高了电子锁的安全性和可靠性，还巧妙地将语音识别技术的声控功能引入到锁具中，从而实现准确判断语音控制[3-4]．
此外还有通过NFC技术加载到手机，实现手机开锁——把手机当作钥匙使用．Lockitron就是这样的设计，仅需安装在现有的房门锁上，几乎可以安装在任何一种标准门栓风格的锁上（约占美国65%的市场）．除了安装快捷外，再次进入房间的用户只需要求“是”就能打开房门．该设备的最大优势是利用Wi-Fi与互联网随时连接，用户就可以在世界的任何地方遥控开锁．对于带有NFC安卓用户来说，只要将手机在Lockitron前摇一下就能智能开锁，其它类型的手机可以通过互联网开锁．但由于技术还不成熟、成本较高等因素尚未得到广泛推广[5-6]．
本文提出的“芝麻开门”智能锁设计，秉承了Lockitron的设计理念，将传感器技术、语音识别技术、图像识别技术、网络技术、GSM模块远程控制技术等多种技术手段融入智能锁的设计中，集智能、安全、便宜于一身，将儿时的魔法故事推广到现实应用．
设计思路——使用HT66FU50盛群单片机控制步进电机智能解锁，近程解锁采用M-LD3320语音识别模块，将语音信息输入到主控芯片比对分析，正确则启动步进电机解锁，面部识别模块补充语音模块易出现的漏洞，提高识别正确率．远程解锁是通过判断GSM模块（华为TC35GTM 900）接收到的短信与预定短信是否一致，一致则启动解锁，如短信错误或强加外力则发报警短信．本智能锁为用户提供3次输入机会，如前两次输入有误才发提示信息，避免误操作导致的闭锁；如遇停电导致无法智能开锁，本智能锁的应急预案是保留机械锁的功能，预留锁眼配备钥匙的方式开锁．本设计的优势在于成本低、实用性强、灵活的外围功能的扩展电路．
1 硬件设计
图1 硬件结构Fig.1 Hardware Structure
硬件电路主要包括主控芯片和语音识别两部分．语音信息进入语音识别部分后，将处理过的数据并行传输到主控制器，经过处理后，发送命令数据可用于扩展外围串行设备，如语音合成模块等．利用此语音合成模块识别语音内容，将识别内容与提前录入内容进行比对，正确则由单片机输出高电平控制步进电机实现解锁．
本设计提供门卫+警察双重报警功能，若接收到的短信错误或强加外力作用，则发出报警声，并给房主发短信提醒，还可以设置成直接拨打110报警，硬件结构图见图1，主控芯片和GSM等模块的硬件接线图见图2．
1.1 主控芯片
本设计以盛群单片机HT66FU50（见图3）为控制核心，该单片机是一款A/D型具有8位高性能精简指令集的Flash单片机：包含一个RAM数据存储器和一个可用于存储序号、校准数据等非易失性数据的EEPROM存储器；内含UART模块，支持单片机间的数据通信网络，低成本PC和外部设备间的数据连接，便携式和电池供电设备间的通信等[5-6]．
主控芯片负责分析输入信号并发出控制指令．语音识别模块识别语音后输入到主控芯片进行分析比对，如果相同则输出高电平，启动步进电机进行拖动，实现开锁；对GSM模块收到的短信进行比对分析，如果与约定一致，则启动步进电机进行拖动，实现开锁．
1.2 语音识别模块
图2 主控芯片与语音、GSM及步进电机模块的接口连接Fig.2 Interfaceconnection ofvoicemodule,GSMmoduleand step
本设计选择使用广泛、高信价比的M-LD 3320语音识别模块，模块将LD3320芯片与必要的容阻件集成在一块PCB上，芯片管脚通过2*20的排针引出，便于在面包板或标准DIP40插座等设备上对LD3320芯片进行快速开发[7-8]．直接将主控MCU的管脚连接到M-LD3320模块的排针上，给M-LD3320模块提供3.3V电源和合适的晶振信号，就可以在主控MCU中编写程序运行LD3320的语音识别功能．
语音识别包括2个阶段：训练和识别．
1）训练阶段：通过用户输入若干次训练语音，经过预处理和特征提取后得到特征矢量参数，通过特征建模达到建立语音参考模型库的目的．
2）识别阶段：将输入语音的特征矢量参数和模型库中的参考模型进行相似性比较，把相似性最高的输入特征矢量作为识别结果输出，实现语音识别．
1.3 面部识别模块
本设计近距离解锁除了使用语音识别，还设计了安全辅助模块——面部识别，用于补充语音模块易出现的漏洞，提高识别正确率，做到真正的安全．通过摄像头获取人面部最重要的三维特征（人脸的突起部位，眉骨、双眼、鼻和嘴等在五官轮廓中的距离、位置、角度和大小），计算出它们的几何特征量，再与模板库中的人像进行对比．
1.4 GSM-TC35模块
本设计选用的GSM模块是华为公司的TC35GTM 900C，用于远程解锁．TC35是一款EGSM 900/GSM 1800双频高度集成的GSM模块，系统集成性好，具有RS232数据接口，集射频电路和基带于一体，提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供了快速、安全、可靠的传输，便于应用开发和设计．
GTM 900模块有AT命令集接口，利用AT指令可完成控制GSM模块进行SMS通讯的所有流程．每个AT指令都是以“AT+”开头，以回车结尾．在AT指令中还包括以下控制符：结束符（用
图3 主控芯片外观图Fig.3 Appearance ofmain control chip
发送短消息常用Text和PDU模式．Text模式发送及接收到的数据均以ASCII码的形式表示，优点是代码简单、容易实现；缺点是只支持传送英文及数字信息．而PDU模式支持中文/英文短信，但内容一旦编好就不能改变，为了适应信息内容能够随时改变，本设计采用TEXT模式的SMS．
常见的AT命令功能如表1所示[9-10]．
需要注意的几个问题：
1）所有AT指令的指令符号、常数、PDU数据包等都是以ASCII编码形式发送的．
2）单片机向GSM模块发送每一条指令后，必须以回车符（0DH）作为该指令的结束，若没有这个回车符，GSM模块将不识别这条指令．
1.5 步进电机模块
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构．每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）．当通电状态的改变完成一次循环时，转子转过一个齿距．
本设计采用减速永磁步进电动机35BYJ46（外形见图4），供电电压是12V，4相，相电阻120，步距角7.5/85.25，通过高低电平对步进电机拖动控制，实现智能开锁．
表1 与SMS有关的AT指令Tab.1 AT instruction related w ith SMS
图4 永磁步进电动机35BYJ46外形图Fig.4 Appearance of permanentmagnetstepmotor
2 软件设计
2.1 开发环境
本设计采用的编程环境是HOPE3000 for EIC 300V101 Install.exe，通过在工程中设置MCU类型（选中映射文件复选框），即可生成烧写到单片机中的.MAP文件．
仿真器是由M 1001D、D1003C和P1001B 3层板组成，底层MEV Board:M 1001D，中间DEV Board: D1003C，顶层PEV Board:P1001B，程序烧写器是EIC-300，包装内包含双排12针、排线1根．
2.2 流程图
软件流程图见图5所示．系统上电后，首先进行初始化，采集初始语音信息及设置短信密码，即：验证开锁是否正确所需的短信内容．接下来选择开锁模式，本设计提供语音识别和短信识别开锁两种模式，用户可根据需要选择开锁方式：
方式1：语音识别开锁——用户在按下开锁按钮的状态下，正视前方（完成面部识别）大声说出5 s预定语音信息，即可实现“芝麻开门”．
方式2：短信识别开锁——用户只需编辑短信密码发送至智能锁即可完成开锁．
图5 软件流程图Fig.5 Program flow figure
2.3 应急预案
考虑到使用过程中可能遇到的两种情况，本设计提供相应的应急预案：
1）避免用户误操作闭锁——智能锁为用户提供3次输错机会，第2次输入有误时会发提示信息（近程语音提示、远程短信提醒），提醒用户如再次输错则导致闭锁，一旦输入失败3次，则判定为外加强力开锁，发出报警信号，并通过短信及时通知用户．
2）停电无法智能开锁——本设计提供了机械锁的锁眼功能，配备钥匙的传统开锁方式（见实物图6）．
3 结论与展望
“芝麻开门”智能锁将语音识别开锁和GSM远程开锁有机结合，真正实现了多功能、人性化、保障安全的服务，具有灵活的外围功能的扩展电路，有着很好的应用前景[7-8]，实物见图6．
本设计的主要特色在于：
1）人锁交互系统——远程短信控制和近距离语音识别解锁，更加人性化．此外，稍作改进还可融入智能家居，实现遥控器开锁．
2）门卫警察双服务——如遇强加外力作用，发报警声，并给房主发短信提醒；还可以设置成为直接拨打110报警，双重保障更加安全．
3）应急预案设计——协助用户解决使用过程中可能遇到的情况，提供良好的使用体验．
4）超高性价比——本设计是在机械锁的基础上改进的，其他模块原材料丰富且价格低廉，如果实现批量化生产成本将进一步压缩．
下一步的研究计划是完善以下3方面功能：
1）语音提示功能——在语音验证成功和短信息发送成功后等情况下进行相应的语音提示，提供更好的人机交互性；
2）加密保护隐私功能——拟加入密码和指纹识别解锁；
3）进一步提高安全性——如应用在有备用电源的酒店或高档社区，拟取消机械锁的功能以提高安全性；如没有备用电源，拟增加个应急电源．
图6 实物图Fig.6 Physicalobject
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[责任编辑 代俊秋]
“Open,sesame“—Design of intelligent lock
ZHANG Ping，CUIWang，LIU Xiaodong，SONG Xiaoning，LIANG Ji
(Schoolof ControlScienceand Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)
An intelligent lock named“open,sesame“isdesigned.Thisdevicewasbased onGTM 900 single chipmicrocomputer to unlock intelligently by controlling steppermotor.Short-rangeunlocking adoptsvoice recognitionmodule to transmitvoice information formain chip,if correct then to control steppermotor to unlock,and face recognition assists in improving recognition accuracy.Long-range unlocking is to judge
message by GSM modulewith scheduled message:if uniform then to unlock,ifw rong or imposed by force then to send alarm message.The device has such advantages of low cost,high practicability and flexible expansion of the circuit.
GSM module;voice recognition;GTM 900 single chip M icrocomputer;intelligent lock
TP391
A
1007-2373(2015)02-0020-05
10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.005
2014-12-23
国家自然科学基金（51207043）；河北省自然科学基金（E2013202133）
张萍（1979-），女（汉族），副教授．
数字出版日期：2015-04-16数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1054.009.htm l
