张庭亮,杨志杰,赵宾杰

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院,河南 安阳 455000)

基于STM32的远程实景智能门锁的设计

张庭亮,杨志杰,赵宾杰

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院,河南 安阳 455000)

文章研究了基于STM32的远程实景智能门锁的设计,针对不同场合的需求,设计完成以STM32F103V8T6为主控,3种安全控制模式的远程实景智能门锁.家居模式通过指纹识别验证身份,中介模式通过设置一次性使用密码验证身份,访客模式通过门前实景验证身份.系统通过TFT触控显示屏与用户完成交互.设计移动端APP,以服务器为中转,可以实现远程查看门前信息、更改密码等操作.相对于普通的电子门锁,设计的系统在实时性、安全性与智能性方面具有较大优势.

STM32;指纹识别;远程控制;智能门锁

门锁是为了实现空间安全性而发明的,日常生活中常用的有机械锁和电子锁两种.机械锁结构简单、安全性差,钥匙作为身份认证基础,容易丢失或伪造,电子锁在一定程度上提高了门锁的安全性[1].但是,基于红外线遥控的电子密码锁[2-3]、基于无线电的电子密码锁[4-5]大多采用静态密码的方式,其密码较短且在一定周期内不变,原密码具有重置密码的权限,存在安全缺陷[6].目前的智能门锁主要分为独立工作型与有线联网工作型[7],电子技术与移动通信网络技术的快速发展,为具有生物认证功能的无线智能门锁的产生提供了必要条件[8-9].设计基于STM32F103V8T6为主控的智能门锁,降低成本的同时提高了实时安全性,采用薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)显示触摸控制以完成人机交互.通过手机APP远程查看门前实景,实时控制门锁.系统采用指纹认证、密码认证及实景认证3种安全模式,将生物认证引入到门锁当中,同时实现物联网化.根据不同场合的需求,设定不同的安全模式,提高了智能门锁的实用性.

1 系统总体方案设计

系统由STM32F103V8T6主控模块、电磁锁模块、指纹识别模块、图像采集模块、TFT显示触控模块、无线模块、移动端模块、外部存储模块及电源模块组成,如图1所示.STM32实时处理指纹识别认证指令,通过无线模块发送图像采集模块采集的实景图像,接收远程移动端的实景认证指令,通过TFT显示触控模块,完成一次性密码的输入与验证.外部存储模块用于存储指纹识别模板数据.

2 系统硬件设计

采用32位高效低功耗STM32F103V8T6作为主控芯片,集成度高,工作频率能达到72 MHz.采用Contex-M3内核,增强了芯片的内部框架,支持单周期32位乘法与除法运算,提高了芯片的计算功能.系统采用的图像采集模块基于OV7725,属于CMOS摄像头系列.无线收发使用esp8266模块.

2.1 指纹识别模块

设计采用微雪公司UART Fingerprint Reader指纹识别模块,速度快、稳定性好.模块以STM32F205为DSP,结合商用指纹算法,设计完成指纹录入、图像处理、特征提取、模板生成、模板存储与指纹识别等功能.指纹识别模块原理如图2所示.

图1 系统的总体设计

图2 指纹识别模块

2.2 显示触控模块

设计采用德飞莱2.8寸TFT彩色LCD触控显示屏,主控STM32利用可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller,FSMC)接口驱动TFT-LCD,接口电路如图3所示.根据显示芯片ILI9341的指令集,设计编写了基础的显示界面,如图4所示.用SPI协议驱动触摸屏驱动芯片XTP2046,分别读出触摸点的x轴、y轴数据并结合矫正数据完成触控交互.

图3 TFT-LCD触控屏接口电路

图4 人机交互界面

2.3 外部存储模块

串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存储器件,遵循二线制协议,由于其具有接口方便,体积小,数据掉电不丢失等特点,在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用.24C02外部存储模块的电路设计如图5所示.

图5 外部存储模块

2.4 电磁锁模块

电磁锁模块采用继电器控制ZUCON电磁锁.继电器是一种电子控制器件,用较小的电流控制较大电流的一种"自动开关".在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用.采用NPN三极管来驱动继电器,电磁锁驱动电路如图6所示.

图6 电磁锁驱动电路

3 系统软件设计

系统启动后进行初始化,管理员可以完成触控屏矫正,更改管理员密码,添加指纹,添加来宾等操作.接着,判断当前需要进入的安全模式:家居模式下,通过串口向指纹模块发送指纹验证指令,采用轮询方式扫描是否有指纹输入,若指纹验证成功则开启门控.指纹识别算法的技术路线如图7所示.中介模式下,判断是否输入了正确的解锁密码.访客模式下,通过图像采集模块采集图像,无线发送给移动端,接收移动端控制指令.

程序总体流程如图8所示.

图7 指纹识别算法技术路线

图8 主程序流程

4 系统测试

通过Keil软件及J-Link调试器实现了程序的设计、编译、下载和调试,程序下载到硬件电路进行测试,结果表明,系统能实现设计功能,实物如图9所示.系统所设计的Android移动端,通过从服务器读取数据和发送指令完成对门锁的控制,其界面如图10所示.

图9 系统实物

5 结语

设计完成实现3种安全控制模式的远程实景智能门锁.家居模式主要完成普通电子锁的功能,通过指纹识别验证身份.中介模式是在租赁或者中介场合,由管理员设置一次性使用动态密码,用户通过密码在有效时间内验证身份即可开门,起到控制人流量与进出时间的目的.访客模式则是考虑通过门前实景验证身份,适合于需要人工判断的门禁.系统经过实际测试完成了设计要求,可以应用于多种场合,实用性好.相对于普通电子锁,提高了安全性.

图10 移动APP客户端界面

[1]扈健玮,姜琴,杨毯毯.手机控制的蓝牙智能门锁设计与实现[J].山东理工大学学报(自然科学版),2017(1):55-59,63.

[2]崔岩,吴国兴,顾媛媛,等.基于FPGA的红外遥控密码锁的设计[J].电子技术应用,2013(11):44-46.

[3]刘潇婷.基于FPGA的红外遥控电子密码锁的实现[D].大连:大连海事大学,2008.

[4]陈旭,张建财,彭鑫,等.基于GSM通信的家居智能指纹解锁门锁[J].山西电子技术,2017(3):14-15.

[5]董庆贺.基于GSM的防盗密码锁系统设计与实现[J].电子技术应用,2011(9):64-66,73.

[6]徐又又,韦政.基于STM8L单片机的动态密码电子锁设计[J].现代计算机(专业版),2015(25):45-50,55.

[7]李鸿.Zigbee和GPRS双网家居智能门锁控制系统[J].自动化技术与应用,2017(3):44-48.

[8]陈旭,张建财,彭鑫,等.基于GSM通信的家居智能指纹解锁门锁[J].山西电子技术,2017(3):14-15.

[9]朱航江,潘振福,朱永利."互联网+"智能门禁控制系统[J].电子技术应用,2017(3):124-126,131.

Design of remote real scene intelligent door lock based on STM32

Zhang Tingliang, Yang Zhijie, Zhao Binjie
(Electronic Information and Electrical Engineering School of Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China)

This paper studies the design of remote real scene intelligent door lock based on STM32. According to the needs of different occasions, the design of remote real intelligent door lock is completed with STM32F103V8T6 as the master to achieve three kinds of security control mode. The home mode verifies identity by fingerprint identification, and the mediation mode verifies identity by setting a one-time use of the password, and the guest mode verifies identity through the front view. The system interacts with the user through the TFT touch screen.The design mobile terminal APP, the server as a transit, can remotely view the front door information, change the password and other operations.Compared with the ordinary electronic door locks, the design of the system in real-time, security and intelligence has a greater advantage.

STM32; fingerprint recognition; remote control; intelligent door lock

国家级大学生创新创业训练计划项目;项目编号:201611330007.

张庭亮(1989- ),男,山西临汾人,助教,硕士;研究方向:模式识别与智能控制.