基于安卓手機的FPGA藍牙通信技術智能電子鎖控制系統(tǒng)

作者：柏 佳，魏 鑫，朱 廣，成都理工大學信息科學與技術學院，來源：2019年電子技術應用第8期

摘要： 隨著人們安防意識的不斷增強和智能技術的持續(xù)發(fā)展，針對用戶對安全系數(shù)高的智能電子鎖的需求，使用FPGA藍牙通信技術設計了基于FPGA藍牙通信技術的智能電子鎖系統(tǒng)。通過手機APP直接控制電子鎖，對電子鎖進行雙重加密處理，具有開鎖、修改密碼，管理員控制用戶開鎖信息表，增添和刪除能開鎖的用戶信息等功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)使用方便，動態(tài)靈活，安全可靠。

0 引言

智能家居日趨火熱，而智能電子鎖是其重要組成部分。傳統(tǒng)的機械鎖安全性能不強，容易出現(xiàn)翻找鑰匙的麻煩情況和忘帶鑰匙或丟失鑰匙的尷尬情況[1]。一般的智能電子鎖加密性不強，基于FPGA藍牙通信技術的智能電子鎖保密性強、靈活性好、安全系數(shù)高、功能多樣化，可以讓人們的生活變得更安全，更便捷，更智能[2-4]。

1 智能電子鎖系統(tǒng)總體設計

1.1 智能電子鎖系統(tǒng)架構

智能電子鎖系統(tǒng)使用支持藍牙4.0的手機與FPGA板卡上的藍牙模塊建立連接，通過手機APP發(fā)送命令，通過串口發(fā)送和串口接收模塊來完成與藍牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸。通過命令解析模塊與命令響應模塊來對簡單的串口命令進行解析、識別和判斷及執(zhí)行，進而控制與FPGA板卡連接的繼電器的通斷，來實現(xiàn)電子鎖的開關功能。FPGA在接收到藍牙模塊傳輸進來的串口數(shù)據(jù)后，會將相應數(shù)據(jù)以及命令響應通過藍牙模塊發(fā)送給手機APP，在這個過程中采用FIFO來存儲所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。智能電子鎖系統(tǒng)架構如圖1所示。

1.2 智能電子鎖設計

若將此智能電子鎖應用于辦公室，鎖A是辦公室大門，鎖1、鎖2、鎖3是用戶1、用戶2、用戶3的儲物柜。若用戶輸入的手機號存在于該系統(tǒng)中，則辦公室大門打開，再輸入密碼，若用戶和密碼與某一個儲物柜匹配，則該儲物柜打開，如圖2所示。該系統(tǒng)的電子鎖對應的用戶密碼信息保存在一張動態(tài)表中，如表1所示(初始化的用戶密碼信息表)。此表會隨著管理員增添用戶、刪除用戶以及成員管理員修改密碼而實時更新[2]。

2 智能電子鎖系統(tǒng)具體設計

2.1 藍牙模塊

藍牙無線技術是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一。系統(tǒng)的藍牙模塊是基于TI公司CC2541芯片的藍牙4.0模塊，具有256 KB配置空間，遵循V4.0 BLE藍牙規(guī)范。本系統(tǒng)中的藍牙模塊出廠默認設置為通過串口協(xié)議與FPGA進行通信，按照UART串口通信協(xié)議來處理發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)。

UART串口協(xié)議是將傳輸數(shù)據(jù)每一個字符一位一位地傳輸。UART的數(shù)據(jù)幀格式為起始位1位，數(shù)據(jù)位5~8位，奇偶校驗位1位或無校驗，停止位1位、1.5位或2位。UART的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。為了加快開發(fā)進程，本系統(tǒng)沒有設置奇偶校驗位。采用的幀格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1位停止位[5]。

2.2 電子鎖設計

此系統(tǒng)具有開鎖、增添開鎖用戶信息、刪除開鎖用戶信息、修改密碼四個功能。用戶分管理員和成員兩個級別。管理員擁有全部的功能，而成員只擁有開鎖和修改密碼兩個功能。四個功能的具體過程如下。

2.2.1 開鎖

開鎖的具體過程如下：

(1)用戶輸入手機號，系統(tǒng)判斷手機號是否為全0，如果是全0，不開鎖A，更不會開鎖1、鎖2、鎖3。如果不是全0，則在表1查找，若輸入的手機號存在于此表中，則鎖A開，否則不開鎖A，更不會開鎖1、鎖2、鎖3。

(2)如果步驟(1)中鎖A開，用戶可再輸入密碼，系統(tǒng)則用輸入的密碼與表中該用戶對應的密碼比較，若匹配鎖1的手機號和密碼，則開鎖1；若匹配鎖2的手機號和密碼，則開鎖2；若匹配鎖3的手機號的密碼，則開鎖3；否則，不開鎖1、鎖2、鎖3。

2.2.2 增添用戶信息

增添用戶信息具體過程：管理員輸入增添的手機號和密碼，系統(tǒng)尋找表中手機號和密碼為全0的用戶，然后將該用戶的手機號和密碼用輸入的手機號和密碼代替。比如輸入23456789和2345，則表1更新為表2。

2.2.3 刪除用戶信息

刪除用戶信息具體過程：管理員輸入刪除的手機號，系統(tǒng)尋找表中手機號與輸入的手機號相同的用戶，然后將該用戶的手機號和密碼用全0代替。比如輸入23456789，則表2更新為表3。

2.2.4 修改用戶密碼

修改用戶密碼具體過程：用戶輸入手機號、舊密碼和新密碼，系統(tǒng)尋找表中手機號與輸入的手機號相同且密碼相同的用戶，然后將該用戶的密碼用新密碼代替。比如輸入23456789、2345、2346，則表2更新為表4。

3 智能電子鎖系統(tǒng)功能測試

基于FPGA藍牙通信技術的智能電子鎖系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，測試過程如下：

(1)在安裝BLE藍牙串口終端APP，并打開手機藍牙，與FPGA板卡上的藍牙模塊進行連接配對。

(2)在APP中輸入對應的命令來完成開鎖、增添用戶信息、刪除用戶信息、修改用戶密碼四個功能。

(3)如圖4所示，輸入用戶手機號存在于系統(tǒng)中，辦公室大門鎖A開(LED全亮)；輸入密碼正確則儲物柜1開(數(shù)碼管顯示00000001)。

備注：*Wxxxxxxxx:輸入手機號(開鎖)，*Nxxxx:輸入密碼(開鎖)，*Rxxxx:輸入新密碼(修改用戶密碼)，*Sxxxx:輸入手機號(增添用戶信息)，*Pxxxx：輸入密碼(增添用戶信息)，*Gxxxxxxxx:輸入手機號(刪除用戶信息)。

4 結論

此系統(tǒng)是基于安卓手機的智能電子鎖控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA對手機APP中輸入的信息進行數(shù)據(jù)接收，以此數(shù)據(jù)作為雙重加密數(shù)據(jù)，控制電子鎖的打開，安全性高，加密性強，靈活性好。而且此系統(tǒng)功能多樣化，動態(tài)化，在打開辦公室大門鎖的基礎上，不同的用戶打開不同的儲物柜鎖，在公共環(huán)境又擁有私密空間。不僅可以為空的儲物柜分配新的用戶，而且可以刪除用戶信息騰出儲物柜以便他人使用，用戶可以修改儲物柜的開鎖密碼，實時更新儲物柜的占用情況和開鎖條件。

參考文獻

[1] 熊軍洲.基于FPGA的電子密碼鎖控制電路設計[J].石家莊職業(yè)技術學院學報，2018，30(6).

[2] 趙靜芬，阮海鵬，李境學.基于FPGA手機控制智能密碼鎖的設計與實現(xiàn)[J].計算機光盤軟件與應用，2013(2)：228.

[3] 崔巖，吳國興，顧媛媛，等.基于FPGA的紅外遙控密碼鎖的設計[J].電子技術應用，2013，39(11)：44-46.

[4] 朱航江，潘振福，朱永利.“互聯(lián)網(wǎng)+”智能門禁控制系統(tǒng)[J].電子技應用，2017，43(3)：124-126，131.

[5] 劉博.基于FPGA的UART模塊設計與實現(xiàn)[J].無線電工程，2018，48(5)：433-438.

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