阳明玥 王娟 谢月熊 胡吉龙 葛佳伟

成都信息工程大学网络空间安全学院 四川 成都 610225

引言

传统门锁作为家装市场中“小五金”的门类，在全面智慧化的当下，成为智慧生活的一部分[1]。然而，传统门锁在安全、管理、便利上仍存在极大的不足，虽然目前市场上出现了一些智能门锁，但大多仅仅是在开锁方式上做一些改变[2]。利用互联网和手机APP搭建一款可监控门锁状态，交互性更强的新型智能门锁备受关注。智能门锁基本是独立的门锁结构，需要将传统门锁完全淘汰，不利于资源的最大化利用[3]。因此设计一款传统门锁智能化装置具有重大意义。该装置在传统门锁上进行改装，具备新型智能门锁特点的同时易于安装，价格低廉。

1 门锁智能化设计方案

1.1 门锁智能化装置硬件设计

门锁智能化装置硬件设计要点在于：在传统门锁基础上进行加装，无须拆卸原有门锁。装置使用乐鑫ESP32芯片作为核心控制模块。ESP32芯片具有BLE辅助WiFi配网、WiFi加BLE双连接、WiFi Mesh应用等特点[4]。利用其内部集成的WiFi模块自动配网，可实现与服务器的通信[5]。装置通过ESP32的WiFi功能，连接上用户家中的路由器。借由路由器中转访问互联网，从而使装置能够和服务器进行双端通信，实时收发信息。ESP32对来自服务器的指令进行识别与验证，驱动外围设备实现门锁开启。同时规定装置按照固定时间间隔向服务器发送当前门锁状态以达到实时监控的目的。

1.2 门锁智能化装置软件设计

门锁智能化装置程序设计以数据实时传输处理为主。该程序由网络通信模块，WiFi模块，红外检测模块组成。首先程序实现通过WiFi模块实现硬件端与服务器的连接。再通过APP用户注册实现与硬件的绑定。网络通信模块MQTT协议实现软硬件之间通信，以达到远程控制的效果。红外检测模块则是检测门锁开关状态，辅助实现智能报警功能。

门锁智能化装置的软件设计可分为以下方面：客户端设计，数据库设计，服务器端设计，数据传输设计。

（1）客户端设计。客户端软件设计为基于Android平台的手机APP，实现用户数据与服务器交互。手机应用可整合多种新兴技术，具有实用灵活，人机交互体验好等优点。手机客户端的功能模块包括：异地开锁，查看门锁状态，改换门锁密码，一键报警。

（2）数据库设计。数据库方面采用开源数据库MySQL，基于EMQ X服务器与Esp32的WiFi模块进行通讯的需求，建立以下数据库表：mqtt_user，mqtt_client, mqtt_manager, mqtt_sub,mqtt_msg。mqtt_user，mqtt_manager用于系统对用户和管理员信息的储存，mqtt_client，mqtt_sub，mqtt_msg用于对传输的信息进行持久化操作。

（3）服务器端设计。服务器采用开源的EMQX服务器。服务器后台管理以动态网页的方式呈现，程序设计语言为Java，且以SSM框架集为主。后台管理控制面板包含以下信息：客户端ID，用户名，IP地址，接入协议，当前状态，连接时间。在数据传输完成后，服务器端处理信息，完成消息的发布和订阅。由于服务器端的信息需要实时监控，系统管理员可以通过后台管理控制面板进行监控。

（4）数据传输设计。数据传输方案采用WiFi与3G/4G网络结合的形式。由于门锁无键盘输入，不具备人机交互的条件，可提出Smart Config技术实现门锁一键配网。Smart Config技术只需一个简单步骤即可让多个无显示器无输入设备通过智能手机或平板电脑连接WiFi网络[6]。客户端设备连接WiFi后使用APP中的一键联网功能，通过广播的方式，发送账号密码。门锁智能化装置的ESP32芯片接收广播获得其账号和密码，与服务器建立连接。数据传输协议为MQTT协议。客户端设备主动建立网络，连接服务器后向服务器发布消息。硬件终端订阅服务器的消息并接受来自服务器的消息推送。客户端实时接收硬件终端回传的消息并进行数据的更新。MQTT协议可在设备硬件资源受限、高延迟以及带宽有限的网络上实现[7]。这样的数据传输模式使智能门锁的应用场景更加灵活。

2 结束语

本装置利用Smart Config技术实现硬件端与服务器相连。再通过APP用户注册实现软件与硬件的绑定。最后使用MQTT协议实现软硬件通信。本装置由于在硬件上实现传统门锁改造极大程度地降低成本。用户可利用手机APP进行便捷操作，提高用户交互性。

门锁智能化装置在硬件方面的设计还需更多突破。考虑到装置的成本问题和安装问题，未来的设计方向将集中在减小装置体积，提高装置灵敏度方面。目前装置在数据传输中的安全性有待增强，后续设计要注意安全模块的开发。