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紅外藍牙指紋密碼鎖設(shè)計
當今智能電子密碼鎖發(fā)展已經(jīng)到了非常高的境界，由于電子元件特別是單片機應(yīng)用在這幾年得到空前發(fā)展，無論功能性，穩(wěn)定性都比較全面。在國外發(fā)展比較早，所以應(yīng)用也比較廣泛，主要在家庭裝較貴重地方，銀行，保險柜等應(yīng)用較多，在國內(nèi)這方面發(fā)展也較快，無論自己開發(fā)或是引進屢見不鮮，在重要地方應(yīng)用也較多，由于價錢比普通彈子鎖較貴，早幾年應(yīng)用較少，現(xiàn)在越來越普及到平?；磥淼陌l(fā)展也會越來越被大眾采用，由于它的功能、安全是彈子鎖無法相比的。指紋識別產(chǎn)品的快速發(fā)展得益于低價位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，以及可靠的比對算法的研究發(fā)展，另一方面，指紋識別技術(shù)和其他的很多技術(shù)一樣，也是從專用走向公用，逐漸成為人們關(guān)注的前沿高科技之一，而現(xiàn)在儼然已經(jīng)成為了各種高科技產(chǎn)品的標識。
一、基于單片機的藍牙指紋密碼鎖設(shè)計
在網(wǎng)絡(luò)化時代的今天，我們每個人都擁有大量的認證密碼，比如開機密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論壇登錄密碼等等。密碼容易被遺忘，也有被人竊取的可能，無論是在智能化還是安全性能方面都已經(jīng)不能滿足需求，現(xiàn)在的各種鑰匙，如門鎖鑰匙，汽車鑰匙，保險柜鑰匙等也如同密碼一樣存在顯而易見的漏洞，隨著社會的發(fā)展，其安全性越來越脆弱不堪一擊。但是我們不能回避這個尷尬的問題，我們的生活中隨時都需要進行個人身份的確認和權(quán)限的認定，尤其是在信息社會，人們對于安全性的要求越來越高，同時也希望認證的方式簡單快速。為了解決這一存在已久的問題，人們把目光轉(zhuǎn)向了近年來興起的生物識別技術(shù)，希望能借助人體的生理特征或行為動作來進行身份識別。
指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平的紋路，盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但是，它蘊涵大量的信息，這些紋路在圖案、斷點和交點上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作"特征"，醫(yī)性和永久性，因此我們就可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來，通過比較他的指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗證他的真實身份。
二、藍牙指紋密碼鎖功能
(1)按鍵輸入采用4×4鍵盤來輸入密碼和各種模式間的選擇和切換實現(xiàn)人機交互。
(2)顯示部分采用LCD12864液晶屏來顯示當前密碼鎖的狀態(tài)。
(3)處理器采用STC12C5A60S2高速1T單片機來作為主控芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。
(4)溫度傳感器采用DS18B20高精度溫度傳感器實現(xiàn)對當前環(huán)境溫度的監(jiān)測。
(5)蜂鳴器采用有源蜂鳴器實現(xiàn)提示和報警。
(6)藍牙模塊采用HC-05和手機實現(xiàn)無線通訊，通過手機app實現(xiàn)開鎖功能。
(7)存儲芯片采用2 4 C 0 2可電擦除并帶寫保護的EEPROM,存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。
(8)指紋模塊使用FM10指紋識別模塊，高識別，認假率小于0.001%，可增加刪除，清空指紋。
三、藍牙指紋密碼鎖工作流程
(1)設(shè)備上電自動檢測EEPROM中的管理員密碼數(shù)據(jù)是否有效，如果有效系統(tǒng)正常運行，若密碼數(shù)據(jù)無效（第一次使用時），則要求設(shè)置管理員密碼。
(2)進入主界面后顯示歡迎使用指紋藍牙門禁系統(tǒng)，和當前環(huán)境溫度。此時按B鍵為手動輸入解鎖密碼開鎖，C鍵為取消（Cancel），D鍵為確認（Determine）。若密碼輸入正確則蜂鳴器響一聲，液晶提示門已開啟。5s后繼電器吸合。系統(tǒng)回到主頁面。若輸入錯誤則提示密碼錯誤，你還有（n）次機會，若連續(xù)輸入3次錯誤，則液晶提示鍵盤鎖死，要求使用指紋解鎖。
(3)系統(tǒng)在主頁面時,按A鍵為管理員鍵(Administrator），要求輸入管理員密碼，管理員密碼與解鎖密碼相互獨立，若管理員密碼輸入正確，則進入管理員模式，可以通過上翻和下翻按鍵移動光標箭頭，D鍵確認和C鍵取消來進行密碼管理、指紋管理、手動開鎖和藍牙模式的開關(guān)。密碼管理分為修改解鎖密碼和管理員密碼，修改密碼時要求輸入兩次新密碼，若兩次輸入一致，則提示密碼修改成功，若兩次輸入不一致，則提示密碼修改失敗，兩次輸入不一致。指紋管理分為添加指紋，刪除指紋，搜素指紋和清空指紋庫，可以刪除指定的單個指紋，操作都有液晶提示，簡單易上手。手動開鎖即直接開鎖。藍牙模式里面提示當前藍牙狀態(tài)，并可以按提示關(guān)閉或開啟藍牙狀態(tài)。
(4)藍牙模式開啟狀態(tài)下，可以通過手機APP，連接鎖體內(nèi)的藍牙模塊，使用手機代替鍵盤操作密碼鎖。
四、基于51單片機和無線通信的紅外智能密碼鎖設(shè)計
隨著科技進步發(fā)展，智能密碼鎖的使用越來越多。機械或電子密碼鎖通常采用轉(zhuǎn)盤或按鍵，每次開鎖都通過人工轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤或按鍵輸入密碼進行?？哭D(zhuǎn)盤開鎖，鎖具磨損大，壽命低；用按鍵輸入密碼開鎖，輸入繁瑣，存在密碼多次輸錯被鎖死的問題。鑒于此，設(shè)計了一種基于單片機和WiFi通信的紅外智能密碼鎖。
4.1紅外智能密碼鎖組成
紅外智能密碼鎖由紅外解碼鎖具、液晶密碼鑰匙和手機端應(yīng)用軟件三部分組成。紅外解碼鎖具包括51單片機和多個解碼單元，每個解碼單元包括一對紅外發(fā)射管、接收管；單片機接收紅外接收管的信號。液晶密碼鑰匙包括單片機和點陣液晶屏，單片機控制液晶屏上黑色點陣的顯示位置即密碼圖形，圖形組數(shù)，每組圖形切換的間隔時間。
用戶手機下載“智能密碼鎖”App應(yīng)用，以每套鎖具唯一的用戶名和密碼注冊登錄后，在設(shè)置界面上可隨意設(shè)置密碼圖形，圖形組數(shù)和每組圖形切換時間，點擊“設(shè)置”按鈕，即可更改開鎖密碼。
4.2紅外智能密碼鎖工作原理
鑰匙端單片機驅(qū)動液晶屏在設(shè)定的時間內(nèi)顯示規(guī)定組數(shù)的不同圖形；鎖具端單片機不工作時處于休眠狀態(tài)，一旦鑰匙靠近即被喚醒，單片機驅(qū)動所有紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，遇到液晶屏上非黑色點陣被反射，由與其配對的紅外接收管接收，單片機讀取紅外接收管的狀態(tài)并通過軟件解析出密碼圖形；若解碼圖形和密碼圖形一致，則開鎖。液晶屏可以被設(shè)置成多組圖形，且每組圖形切換時間也可被設(shè)置。鎖具端解碼每組圖形的切換時間，圖形組數(shù)和每組圖形樣式必須和鑰匙端的設(shè)置一致才能開鎖。鎖具端和鑰匙端的單片機串口均連接有串口WiFi模塊，用于接收手機端App發(fā)送來的密碼圖形組數(shù)，圖形切換時間等參數(shù)。工作原理如圖1所示。
五、紅外智能密碼鎖硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用AT89C51作為核心控制部件。51系列單片機是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU，隨機存儲器RAM，只讀存儲器ROM，多種I/O口中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的嵌入式計算機系統(tǒng)，是目前性價比高、應(yīng)用最為廣泛的8位單片機之一。鎖具端和鑰匙端各采用一片單片機作為控制核心。鎖具端單片機的P0口控制三極管導通或截止，三極管驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線；P1和P2端口分別連接8個紅外接收管，讀取紅外接收管的狀態(tài)并解析。如果解密成功則驅(qū)動繼電器通電，接通鎖頭馬達轉(zhuǎn)動開鎖。P3.3連接蜂鳴器報警，一旦解析出的密碼和鎖具端的不一致，則蜂鳴器報警。
液晶密碼鑰匙端單片機連接點陣液晶屏，通過軟件控制液晶屏幕顯示不同的點陣圖形。本設(shè)計采用LCD1602液晶屏，可以顯示兩行，每行16個字符，字符庫中有全黑“■”字符，軟件控制液晶顯示各個字符為全黑或空白。由兩行字符構(gòu)成的圖形共有6.5萬余種，即每組圖形是6.5萬多種中的一種。通過編程可設(shè)置兩組、三組，甚至更多組密碼圖形，每組圖形之間的切換時間也可以設(shè)置。如此，密碼的復(fù)雜度極高。sw1為啟動按鈕，喚醒鑰匙端單片機工作，sw2為鑰匙關(guān)按鈕，控制單片機進入休眠狀態(tài)，節(jié)省電池電量。
鎖具端和鑰匙端都有連接有串口WiFi模塊，本設(shè)計采用ESP8266串口WiFi模塊，是新一代嵌入式WiFi模塊，體積小，功耗低。采用UART接口。串口WiFi模塊是基于通用串行接口特性，符合IEEE802.11協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)標準，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設(shè)備更好的加入無線網(wǎng)絡(luò)，通過串口WiFi模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。模塊的UTXD和單片機的TXD相連，URXD和單片機的RXD相連。如此，手機App中設(shè)置的參數(shù)即可通過WiFi轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送到鑰匙和鎖具端單片機，省去了用專用下載器下載程序的麻煩。
六、紅外智能密碼鎖軟件設(shè)計
用C語言編寫軟件，可調(diào)用庫函數(shù)多，編程簡單，移植性好。鎖具和鑰匙端程序均采用單片機C語言進行編寫。
鎖具端單片機平時處于休眠狀態(tài)，當鑰匙靠近時被喚醒，然后開始連續(xù)讀取連接紅外接收管的P1、P2端口的狀態(tài)，當P1、P2口狀態(tài)為全0時，即紅外接收管沒有接收到信號，表示液晶鑰匙還沒貼在鎖具上，當P1、P2口狀態(tài)為全1時，表示鑰匙已貼緊鎖具，進入讀取圖形階段。將讀到的圖形和設(shè)置的密碼圖形比對，如果一致，按設(shè)定的時間間隔讀取第二幅圖形；如此按照設(shè)定的圖形樣式、組數(shù)，每組圖形切換的間隔時間，讀取P1、P2口的狀態(tài)并進行解析。直到解析到的每組圖形均和設(shè)置的圖形完全一致，單片機P3.2口驅(qū)動繼電器打開鎖頭。若不一致，通過P3.3口連接的蜂鳴器報警。開鎖后，單片機進入休眠狀態(tài)。
液晶鑰匙端單片機平時也處于休眠狀態(tài)，開鎖時按下鑰匙上按鈕sw1喚醒單片機。啟動后單片機驅(qū)動液晶屏全部點亮以通知鎖具端進入開鎖階段。接著按設(shè)置的和鎖具端一致的圖形樣式、圖形組數(shù)和每組圖形切換的時間間隔驅(qū)動液晶顯示。為和鎖具端單片機同步，上述全黑點陣和密碼圖形將循環(huán)顯示，直到開鎖結(jié)束。按下鑰匙端開關(guān)sw2，鑰匙端單片機進入休眠。
用戶在手機App上根據(jù)需要設(shè)置圖形樣式、圖形組數(shù)和每組圖形切換時間后，利用手機WiFi和連接鎖具端和鑰匙端的串口WiFi模塊并將參數(shù)發(fā)送給此兩模塊保存。
七、紅外密碼鎖App設(shè)計
本系統(tǒng)手機App基于Android Studio開發(fā)，用戶首先需要根據(jù)購買密碼鎖時提供的用戶名和密碼進行注冊并登錄，界面上有圖形樣式設(shè)置、圖形組數(shù)設(shè)置和每組圖形切換時間設(shè)置框，用戶自行填寫或通過下拉框選擇數(shù)據(jù)（下拉框中數(shù)據(jù)隨機生成），點擊App界面上的“確定”按鈕，用戶設(shè)置的參數(shù)即刻通過WiFi發(fā)送到鎖具和鑰匙的單片機并存儲。限于篇幅，App的軟件設(shè)計不再贅述。
總結(jié)
利用51單片機和WiFi無線通信技術(shù)實現(xiàn)紅外密碼鎖的設(shè)計，用戶通過手機App設(shè)置參數(shù)來修改密碼鎖的密碼，操作簡單，設(shè)置安全可靠。通過單片機C語言編寫鑰匙端和鎖具端程序，密碼設(shè)置方法獨特，難破解，安全性、可靠性高。
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