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一种新型的安全智能门锁系统
摘 要：针对现有门锁功能不全、智能化不足的问题,结合公寓和酒店智能化管理模式需求,设计出一种新型的安全智能门锁系统,该门锁系统具有多种开锁方式,并能在开锁后将开锁信息上报前台,便于酒店或者公寓的管理和防盗,主要介绍了门锁系统的设计思路,阐述了系统整体设计、门锁硬件设计、门锁软件设计,并分析了当前安全智能门锁系统设计的不足,提出了进一步改进的方向,指出该新型安全智能门锁系统旨在提高门锁安全性的同时,实现公寓和酒店智能化管理,给客户提供更加方便快捷的入住服务.
关键词：自动控制；门锁；智能门锁；门锁设计；电路设计
中图分类号：TP273；TS914.211+.7 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.07.074
单纯机械结构的门锁,只具备简单的防盗功能；指纹锁或锁只是加强了防盗功能,并不能了解开门时间、开门人员；面部识别锁需要在光照条件好的情况下使用,采用的技术是模糊判断,也容易被；而虹膜识别门锁造价太高不适合推广使用.针对当前市场上门锁种类众多,但没有一种门锁可以很好地兼具防盗性强、实时记录开门信息、方便快捷等多功能的问题,笔者设计了一种适合公寓和酒店使用的新型安全智能门锁系统.
1 新型安全智能门锁系统设计思路
为了保证门锁系统使用方便快捷,笔者设计了以下4种开锁方式.
1）开锁：由于现在购买车票、机票都推行了实名制,而且国家要求入住酒店必须实名登记,人们出行不带的概率极小,为此系统设计了开锁方式.既能减少酒店或者公寓的房卡制作成本,省去了前台的房卡管理环节,又免去了客户因房卡丢失或失效带来的不便,方便快捷.
2）开锁：为防止客户因丢失（或忘记携带）而开不了房门的情况发生,同时设置了开锁方式.订房后,前台将开锁告知客户,客户可以凭开锁.
3）服务器远程开锁：如果客户丢失（或忘记携带）和忘记的情况同时发生,客户可以联系前台,经身份认证正确后,由前台远程开锁.
4）机械开锁：该开锁方式为前三种开锁方式都失败时的应急处置方式.
为了使酒店前台或者公寓管理者能够随时了解每个房间的开锁情况,在前台设置了服务器,并设计了门锁的开锁上报功能.门锁被打开后,会利用无线信号向服务器发送此次开锁信息和当前的门锁电量信息,由服务器接收并存储门锁发送来的信息,并向门锁发布相关信息.
为了提高门锁的防盗性,门锁锁芯采用双面叶片锁芯,达到了国家B级标准,技术性开锁最少需要5 min,破坏性开锁最少需要30 min.
2 新型安全智能门锁系统整体设计
新型安全智能门锁系统主要由服务器和门锁组成,见第75页图1.
服务器用于记录信息以及向门锁发布信息,记录的信息包括：开锁信息（被开锁号、开锁时间以及开锁方式）以及当前门锁的电量信息；发布的信息包括：住房客户信息、住房信息、住房时间信息.
门锁从服务器下载信息以及向服务器提交信息,下载的信息包括：客户的信息、开锁信息以及客户住房时间；提交的信息包括：当前锁号、开锁时间、开锁方式以及当前电池电量.
无线信号选择以Wi-Fi信号为主、G信号为补充的传输方式.Wi-Fi信号的传输速度快,发送数据量大,需要有路由器,且路由器需要处于稳定工作状态,能接入Internet,在正常情况下使用Wi-Fi信号传输数据；而G信号使用方便,只要有基站信号就可以使用,故障率低,因此当Wi-Fi信号不能向服务器发送数据时,则使用G信号向固定手机以短信的形式发送此次开锁信息以及Wi-Fi信号通信故障信息（虽然蓝牙信号使用方便、成本低,但传输距离短、速度较慢,不利于酒店或者公寓的远程管理,故没有采用蓝牙信号）.
3 新型安全智能门锁硬件设计
智能门锁的内部结构见图2.门锁主要由无线通信模块、识别模块、电源模块、微控制器模块、控制电路模块、报警电路模块、系统状态指示电路模块以及门锁机械结构组成.该门锁硬件设计主要讨论电路结构设计,门锁机械结构在此不作叙述.
3.1 电源模块
考虑到安装限制、系统使用时长以及成本等因素,此门锁使用电源为6节5号1.5 V南孚电池串联供电,电池容量约为1 300 mA·h,预计工作时长在3个月以上.电源模块需要降压至3.3 V给微 控制器模块和识别模块供电,需要降压至4.8 V给无线通信模块和控制电路模块供电.因为初步设定单组电源保证门锁稳定工作3个月以上,所以在选择电源芯片以及设计电源电路时,最大输出电流必须大于1 A；而且芯片的转换效率要高,较高的转换效率可以增加电源的利用率；同时芯片最好具有可以控制开关状态的功能,能在系统低功耗时切断对控制电路模块、识别模块、无线通信模块的供电,降低电源损耗.此门锁电源模块选择的芯片主要为TPS562200和MP1482.
3.2 无线通信模块
无线通信模块包括Wi-Fi信号通信模块以及G信号通信模块.在选择模块时,优选通信质量好且较低的模块,以降低成本,方便推广使用.此门锁无线通信模块选择的芯片主要为USR-C322和SIM900A.
3.3 识别模块
识别模块可以选用读取信息快、集成度高、操作简单的模块,这样可以简化程序设计.此门锁识别模块选择的芯片主要为DKQ-116DSQT.
3.4 微控制器模块
微控制器模块需要具备的条件较多：性能较好,运行稳定,集成度高,电路设计简单,开发成本低,具备唤醒及休眠等功能,满足系统低功耗的需求,可以存储一定量的数据等.此门锁微控制器模块选择的芯片主要为STM32F103RCT6.
系统状态指示电路模块和控制电路模块在此不作叙述,根据门锁机械结构及程序需要,自行设计即可.
4 新型安全智能门锁软件设计
门锁软件程序主要包括STM32初始化程序、按键程序、识别程序、无线发送程序及报警程序,采用自下而上的设计方案,梳理设计思路以优化程序设计,大量使用自带库函数以简化程序设计.以下主要介绍主程序.第76页图3为智能门锁的主程序流程图.先经过STM32的初始化,包括时钟、输入/输出（I/O）口等,然后判断这次是按键唤醒,还是自动唤醒.
1）按键唤醒：顺序调用按键函数、模块函数,等待用户输入信息,输入完成后,判断用户信息是否正确、开锁是否成功.如果用户信息正确、开锁成功,则调用上报函数,上报此次开锁信息及当前电量信息；如果连续5次上报都出错,说明Wi-Fi信号可能有问题,则使用SIM900a发送数据,最后进入待机模式,等待下次唤醒.如果用户信息不正确,则调用错误处理函数,向用户说明信息错误,要求重新输入.
2）自动唤醒：向上位机请求数据,将请求的
数据存入闪存（Flash Memory,一般简称为Flash）,等待用户使用时与用户信息进行比较.
5 新型安全智能门锁进一步改进的方向
门锁系统采用6节5号1.5 V南孚电池供电,均为一次性电池,不能反复使用.从长远来看,既不环保,也不节约成本.门锁系统可以改用充电电池供电,并在门锁安装时嵌入无线充电系统,当门关闭时无线充电电路自动开始工作,对电池充电.然而如果作此改进,则需要改变门框的物理结构,改装较为复杂,且增加了整个系统的成本,如果预计能够批量生产并且长期使用,则采用这种供电方案更好.
6 结束语
这种新型安全智能门锁系统将识别技术、无线通信技术等有机结合,实现了开锁信息上报、用户开锁信息记录等功能.采用STM32的硬件平台,简化了电路设计,大量使用STM32自带库函数,简化了程序设计,从而能以较低的成本开发研制,实现公寓和酒店的无房卡智能化管理,简化公寓和酒店的管理流程,同时给客户提供方便快捷的入住体验.
目前,该新型安全智能门锁系统已经研发成功并投入酒店试用,用户试用效果比较理想.笔者会根据用户反馈的情况不断改进和完善,期待在更多的公寓和酒店推广使用.
（责任编辑 邸开宇）
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