《电子技术应用》
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基于FPGA蓝牙通信技术的智能电子锁系统
2019年电子技术应用第8期
柏 佳,魏 鑫,朱 广
成都理工大学 信息科学与技术学院,四川 成都610059
摘要: 随着人们安防意识的不断增强和智能技术的持续发展,针对用户对安全系数高的智能电子锁的需求,使用FPGA蓝牙通信技术设计了基于FPGA蓝牙通信技术的智能电子锁系统。通过手机APP直接控制电子锁,对电子锁进行双重加密处理,具有开锁、修改密码,管理员控制用户开锁信息表,增添和删除能开锁的用户信息等功能。经测试,系统使用方便,动态灵活,安全可靠。
中图分类号: TP311.52
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190128
中文引用格式: 柏佳,魏鑫,朱广. 基于FPGA蓝牙通信技术的智能电子锁系统[J].电子技术应用,2019,45(8):128-130.
英文引用格式: Bai Jia,Wei Xin,Zhu Guang. Intelligent electronic lock system based on FPGA Bluetooth communication technology[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(8):128-130.
Intelligent electronic lock system based on FPGA Bluetooth communication technology
Bai Jia,Wei Xin,Zhu Guang
College of Information Science & Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
Abstract: With the sustainable development of awareness of the security and intelligent technology for the demand of users for high safety coefficient intelligent electronic locks, Bluetooth communication technology is used to design FPGA Bluetooth communication technology based intelligent electronic lock system. Electronic lock is directly controlled by mobile phone APP for double encryption processing. It has the functions such as lock, change passwords, administrators to control user unlock information table, add and remove the lock user information. Through testing, it′s proved that the system is convenient to use, dynamic and flexible, safe and reliable.
Key words : FPGA;multi-function electronic lock;double encryption;mobile phone Bluetooth

0 引言

    智能家居日趋火热,而智能电子锁是其重要组成部分。传统的机械锁安全性能不强,容易出现翻找钥匙的麻烦情况和忘带钥匙或丢失钥匙的尴尬情况[1]。一般的智能电子锁加密性不强,基于FPGA蓝牙通信技术的智能电子锁保密性强、灵活性好、安全系数高、功能多样化,可以让人们的生活变得更安全,更便捷,更智能[2-4]

1 智能电子锁系统总体设计

1.1 智能电子锁系统架构

    智能电子锁系统使用支持蓝牙4.0的手机与FPGA板卡上的蓝牙模块建立连接,通过手机APP发送命令,通过串口发送和串口接收模块来完成与蓝牙模块的数据传输。通过命令解析模块与命令响应模块来对简单的串口命令进行解析、识别和判断及执行,进而控制与FPGA板卡连接的继电器的通断,来实现电子锁的开关功能。FPGA在接收到蓝牙模块传输进来的串口数据后,会将相应数据以及命令响应通过蓝牙模块发送给手机APP,在这个过程中采用FIFO来存储所需要发送的数据。智能电子锁系统架构如图1所示。

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1.2 智能电子锁设计

    若将此智能电子锁应用于办公室,锁A是办公室大门,锁1、锁2、锁3是用户1、用户2、用户3的储物柜。若用户输入的手机号存在于该系统中,则办公室大门打开,再输入密码,若用户和密码与某一个储物柜匹配,则该储物柜打开,如图2所示。该系统的电子锁对应的用户密码信息保存在一张动态表中,如表1所示(初始化的用户密码信息表)。此表会随着管理员增添用户、删除用户以及成员管理员修改密码而实时更新[2]

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2 智能电子锁系统具体设计

2.1 蓝牙模块

    蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一。系统的蓝牙模块是基于TI公司CC2541芯片的蓝牙4.0模块,具有256 KB配置空间,遵循V4.0 BLE蓝牙规范。本系统中的蓝牙模块出厂默认设置为通过串口协议与FPGA进行通信,按照UART串口通信协议来处理发送与接收的数据。

    UART串口协议是将传输数据每一个字符一位一位地传输。UART的数据帧格式为起始位1位,数据位5~8位,奇偶校验位1位或无校验,停止位1位、1.5位或2位。UART的数据帧格式如图3所示。为了加快开发进程,本系统没有设置奇偶校验位。采用的帧格式为1位起始位、8位数据位、无奇偶校验位、1位停止位[5]

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2.2 电子锁设计

    此系统具有开锁、增添开锁用户信息、删除开锁用户信息、修改密码四个功能。用户分管理员和成员两个级别。管理员拥有全部的功能,而成员只拥有开锁和修改密码两个功能。四个功能的具体过程如下。

2.2.1 开锁

    开锁的具体过程如下:

    (1)用户输入手机号,系统判断手机号是否为全0,如果是全0,不开锁A,更不会开锁1、锁2、锁3。如果不是全0,则在表1查找,若输入的手机号存在于此表中,则锁A开,否则不开锁A,更不会开锁1、锁2、锁3。

    (2)如果步骤(1)中锁A开,用户可再输入密码,系统则用输入的密码与表中该用户对应的密码比较,若匹配锁1的手机号和密码,则开锁1;若匹配锁2的手机号和密码,则开锁2;若匹配锁3的手机号的密码,则开锁3;否则,不开锁1、锁2、锁3。

2.2.2 增添用户信息

    增添用户信息具体过程:管理员输入增添的手机号和密码,系统寻找表中手机号和密码为全0的用户,然后将该用户的手机号和密码用输入的手机号和密码代替。比如输入23456789和2345,则表1更新为表2。

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2.2.3 删除用户信息

    删除用户信息具体过程:管理员输入删除的手机号,系统寻找表中手机号与输入的手机号相同的用户,然后将该用户的手机号和密码用全0代替。比如输入23456789,则表2更新为表3。

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2.2.4 修改用户密码

    修改用户密码具体过程:用户输入手机号、旧密码和新密码,系统寻找表中手机号与输入的手机号相同且密码相同的用户,然后将该用户的密码用新密码代替。比如输入23456789、2345、2346,则表2更新为表4。

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3 智能电子锁系统功能测试

    基于FPGA蓝牙通信技术的智能电子锁系统的功能实现,测试过程如下:

    (1)在安装BLE蓝牙串口终端APP,并打开手机蓝牙,与FPGA板卡上的蓝牙模块进行连接配对。

    (2)在APP中输入对应的命令来完成开锁、增添用户信息、删除用户信息、修改用户密码四个功能。

    (3)如图4所示,输入用户手机号存在于系统中,办公室大门锁A开(LED全亮);输入密码正确则储物柜1开(数码管显示00000001)。

    备注:*Wxxxxxxxx:输入手机号(开锁),*Nxxxx:输入密码(开锁),*Rxxxx:输入新密码(修改用户密码),*Sxxxx:输入手机号(增添用户信息),*Pxxxx:输入密码(增添用户信息),*Gxxxxxxxx:输入手机号(删除用户信息)。

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4 结论

    此系统是基于安卓手机的智能电子锁控制系统,FPGA对手机APP中输入的信息进行数据接收,以此数据作为双重加密数据,控制电子锁的打开,安全性高,加密性强,灵活性好。而且此系统功能多样化,动态化,在打开办公室大门锁的基础上,不同的用户打开不同的储物柜锁,在公共环境又拥有私密空间。不仅可以为空的储物柜分配新的用户,而且可以删除用户信息腾出储物柜以便他人使用,用户可以修改储物柜的开锁密码,实时更新储物柜的占用情况和开锁条件。

参考文献

[1] 熊军洲。基于FPGA的电子密码锁控制电路设计[J]。石家庄职业技术学院学报,2018,30(6)。

[2] 赵静芬,阮海鹏,李境学。基于FPGA手机控制智能密码锁的设计与实现[J]。计算机光盘软件与应用,2013(2):228。

[3] 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,2013,39(11):44-46.

[4] 朱航江,潘振福,朱永利。“互联网+”智能门禁控制系统[J]。电子技应用,2017,43(3):124-126,131。

[5] 刘博。基于FPGA的UART模块设计与实现[J]。无线电工程,2018,48(5):433-438。




作者信息:

柏  佳,魏  鑫,朱  广

(成都理工大学 信息科学与技术学院,四川 成都610059)

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