基于STM32的新型智能防盗门

2022-02-17张洋刘建粉

电子设计工程 2022年3期

张洋，刘建粉

（平顶山学院，河南平顶山 467000）

近年以来，我国的科技飞速发展，人们的生活水平不断提高，人民对居家的安全性有了更高的需求，为了改善生活质量，提高人民的居家便捷及安全，提出了新型智能防盗门的设计。目前市场上普遍使用的传统防盗门安全性低、开锁繁琐且效率低下，社会上也逐渐出现各种盗窃事件，传统防盗门的安全性引起了人们的担忧。而文中将指纹检测、RFID 射频技术和蓝牙控制、窄带物联网技术结合在一起，大大提高了智能防盗门的安全性和实用性，传统的门锁也将逐渐被淘汰，由新一代的智能防盗门所取代[1]。

1 总体设计

1.1 系统需求分析

伴随着技术的进步和社会的发展，人们在生活中对家庭安全的需求越来越高。为了满足人们的需求，家庭防盗门的安全化和智能化需要进一步提高，传统的防盗门已无法满足当今人们的需求。文中设计的智能防盗门普遍应用于智能家居生活中，集安全性和智能化于一身。符合当今人们渴望智能化生活的需求，具有一定的实用性。

1.2 总体设计思路

传统的防盗门不仅不方便而且安全系数较低，而智能门锁由于隐私性高、开锁方式多、方便快捷、解密方式可调等优势，满足了人们对防盗门更高的需求。将移动互联网与无线通信结合起来的智能门锁系统，不仅易于操作，而且推动了人机交换的进程。借助STM32 单片机优异的实时性能、完整的生态链、强大的编程和控制能力[2]，结合蓝牙模块、OLED 显示屏、AS608 光学指纹模块、NB-IoT和RFID 读写器等外围电路构建智能防盗门管理体系，设计了一种以STM32为主控制器的智能防盗门系统。在此基础上增加了夜间感应开灯部分，方便用户在接近防盗门前时可以智能的开灯，且兼备了节能环保。

1.3 功能介绍

1）感应开灯：在夜间，当用户接近智能防盗门时，防盗门的照明系统打开，方便用户在防盗门前进行开锁等相关行为。

2）刷卡开门:通过在智能防盗门安装RFID 读写器，当携带装有RFID 电子标签接近智能防盗门时，读卡器检测人员携带的卡片具备什么权限，当卡片具备开锁的权限时，用户可以打开智能防盗门。否则将提示不具备开锁的权限。

3）手机APP 开门：通过在智能防盗门上安装一片设定好信息的NFC 标签，当用户将手机接近这片NFC 标签时，手机上安装的智能防盗门APP 将自行打开，通过蓝牙配对连接进行开锁。

4）指纹解锁开门：利用安装光学指纹传感器达到开门的目的，通过对指纹识别模块上的指纹进行检测，当检测到是提前录入的指纹用户时，智能防盗门可以进行开锁。

5）安全警报及信息上传：当有人试图强制开门或者输入密码错误达到一定次数时，门锁会发出警报，并且通过NB-IoT 上传到云平台上。

6）OLED 屏显示：在开锁的过程中，OLED 显示屏对人员的操作进行实时显示。

1.4 功能设计

夜间感应开灯部分功能架构示意图如图1所示。安全开锁部分功能架构示意图如图2所示。

图1 夜间感应开灯部分功能架构示意图

图2 安全开锁部分功能架构示意图

2 硬件设计

该文将从整体硬件设计和各个模块的选型功能等方面对智能防盗门的硬件部分进行设计和分析。

2.1 硬件总体设计

文中通过将AS608 指纹识别模块、矩形键盘、RFID 读写器、光照强度传感器和红外传感器与MCU相连接，进行数据读取。将NFC 电子标签放置在智能防盗门上，实现对手机的控制。把LED 灯、蜂鸣器与MCU 相连，实现执行器的相关操作。使用IIC 传输方式，通过MCU 控制OLED 显示屏，将电子锁与继电器相连，再把继电器与MCU 相连，从而实现小电压控制大电压的操作。最后将HC-06 蓝牙模块和BC20 模块与MCU 通过不同串口引脚相连，实现数据交互。系统硬件结构如图3 所示。

图3 系统硬件结构

2.2 系统硬件选型及介绍

该设计实现的硬件包括3×3 矩形键盘、RC522近场通信模块、HC-06 蓝牙模块、AS608 指纹识别模块、红外测距传感器、OLED 显示屏、电磁锁、LED 灯、继电器、光照强度传感器、BC20 无线通信模块、蜂鸣器。对部分模块的详细介绍如下。

2.2.1 AS608指纹识别模块

AS608 是光学指纹识别模块，它利用光的折射和反射原理，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗会不一样。CMOS 或者CCD的光学器件会收集到不同明暗程度的图片信息，即完成指纹的采集[3]。

2.2.2 RC522近场通信模块

RC522 近场通信模块是一种短距离的高频无线通信技术，是一款高度集成的读/写卡芯片，具有低电压、低成本和尺寸小的特点[4]，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，在10 cm 内交换数据。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，该设计采用SPI 通信方式，有利于减少连线，缩小PCB 板体积，降低成本，满足智能防盗门的设计需求。

2.2.3 HC-06蓝牙模块

HC-06 是目前市面上很常用的串口蓝牙模块，其模块采用Blue2.0、支持主从模式、支持软/硬件设置主从模式。具备功耗低、信号强、性能稳定、通讯距离远、成本低、使用灵活、尺寸小的优点，满足智能防盗门的使用需求。使用AT 指令可以对HC-06 蓝牙模块进行相应的初始化工作[5]。

2.2.4 OLED显示屏

该设计显示模块选用的是IIC 接口的OLED 显示屏，OLED 是有极发光二极管，又称为有机电激光显示,具有自发光的特性。OLED 显示屏相比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高。OLED 是“自发光”二极管，像素本身就是光源，所以对比度极高，显示效果良好。具备可视角度大、功耗低、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广[6]、结构简单等优点，非常适合安装在智能防盗门上。

2.2.5 红外测距传感器

该设计中采用GP2Y0A21YK0F 红外测距传感器，由PSD(Position-Sensitive Detector)集成组合IRED(Infrared Red Emitting Diode)和信号处理电路构成[7]。由于采用的是三角测量方式，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响这款传感器的准确性。GP2Y0A21YK0F 传感器的信号输出类型是模拟电压信号，GP2Y0A21YK0F 传回的模拟电压被量化为1 024个单位，对应着不同检测距离[8]。因为智能防盗门使用的是STM32单片机，而STM32单片机内部本身具备ADC 转换器，所以不必额外扩展专门的ADC转换电路，只需将传感器与STM32 单片机具有数模转换功能的I/O 口直接连接就可以了。为红外测距传感器设定一个阈值，当检测到智能防盗门前有人接近并且检测到是黑暗（通过光敏电阻实现）的情况下，STM32单片机控制LED灯打开，从而实现感应开灯的效果，满足智能防盗门检测夜间感应开灯的需求。

2.2.6 BC20无线通信模块

BC20 是一款高性能、低功耗、多频段的NB-IoT无线通信模块。BC20 提供丰富的外部接口和协议栈，同时支持中国移动OneNET、中国电信IoT 以及阿里云IoT 等物联网云平台，为产品的应用提供极大的便利。该设计之所以使用窄带物联网，是因为智能防盗门并不要求高频率数据传输，但需要满足低功耗和稳定性，相比于ZigBee、WiFi、RFID 技术，NB-IoT无线传输技术具有更低的功耗和更广的覆盖范围，适用于大范围的组网场合[9]，所以选用NB-IoT 传输数据。

3 软件设计

程序的设计流程如图4 所示。

图4 程序设计流程

3.1 APP解锁

文中使用蓝牙模块通过串口传输实现的，通过手机使用APP，搜索蓝牙输入密码进行配对，通过在手机端发送指令，蓝牙模块将信息接收到串口[10]，然后进行该指令的相关操作。在智能防盗门上安装一片NFC 电子标签，并且将智能防盗门的APP 启动文件存放进NFC 电子标签中[11]，当手机接近NFC 电子标签时，用户手机上的NFC 电子标签将会自动打开智能防盗门的APP。智能防盗门手机控制端如图5所示。

图5 智能防盗门手机控制端

3.2 指纹开锁

指纹开锁部分主要实现录入指纹、验证指纹、使用USMART 读取和修改模块参数等功能[12]。首先在相关文件里写入指令格式，写入一些底层函数存放在工程中，然后进行调用[13]，进行AS608 指纹模块的初始化、建立人员指纹库、通信协议等配置。然后等待主控芯片与模块建立通信后进入，通过检测WAK引脚检测是否手指有人员将手指按下,并采集指纹的特征值,与指纹库中存放的指纹进行对比,当检测到是指纹库中人员时，将进行开锁[14]。实现指纹的录入、读取和删除。刷指纹流程如图6 所示。

图6 刷指纹程序流程

3.3 刷卡开门

刷卡开门运用了RFID 卡的读取和写入[15]，具体软件实现流程:首先进行寻卡操作，当读卡器检测到卡片时进行防冲突操作，进而选定卡片，选择卡片后，进行校验密码（卡片密码位于每一扇区第3 块），然后就可通过选定地址进行读卡或者写卡操作。设置一个变量，存放卡片的数据，当卡片某个扇区某个块中的数据和这个变量相同时，代表可以进行相关操作。

部分重要代码如下：

3.4 OLED屏显示流程

OLED 屏实时显示智能防盗门操作的流程为：将需要使用的汉字通过取模软件来取模，将产生的数组进行存储。通过设置显示屏显示的行起始地址、设置低列起始地址、设置高列起始地址实现更新显存的操作。将每一次操作后需要显示的内容存放在函数中，通过每次对这些内容进行更新显存[16]，进而实现实时显示操作。将常用的显示语句取模存放进程序中，当人员进行响应的操作时，显示屏显示响应语句。