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(lán)牙通信技術(shù)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(shè)計

1.1 智能電子鎖系統(tǒng)架構(gòu)

    智能電子鎖系統(tǒng)使用支持藍(lán)牙4.0的手機與FPGA板卡上的藍(lán)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(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)傳輸。通過命令解析模塊與命令響應(yīng)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(guān)功能,。FPGA在接收到藍(lán)牙模塊傳輸進來的串口數(shù)據(jù)后,，會將相應(yīng)數(shù)據(jù)以及命令響應(yīng)通過藍(lán)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(gòu)如圖1所示,。

1.2 智能電子鎖設(shè)計

    若將此智能電子鎖應(yīng)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(yīng)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(shè)計

2.1 藍(lán)牙模塊

    藍(lán)牙無線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標(biāo)準(zhǔn)之一,。系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊是基于TI公司CC2541芯片的藍(lán)牙4.0模塊，具有256 KB配置空間,，遵循V4.0 BLE藍(lán)牙規(guī)范,。本系統(tǒng)中的藍(lán)牙模塊出廠默認(rèn)設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(lán)牙通信技術(shù)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(lán)牙串口終端APP，并打開手機藍(lán)牙,，與FPGA板卡上的藍(lán)牙模塊進行連接配對,。

    (2)在APP中輸入對應(yīng)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(jié)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(chǔ)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(shè)計[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018,，30(6).

[2] 趙靜芬,，阮海鵬，李境學(xué).基于FPGA手機控制智能密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機光盤軟件與應(yīng)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(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)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(yīng)用，2017,，43(3)：124-126,，131.

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

作者信息:

柏  佳,，魏  鑫,，朱  廣

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610059)