基于安卓手机的FPGA蓝牙通信技术智能电子锁控制系统

作者：柏 佳，魏 鑫，朱 广，成都理工大学信息科学与技术学院，来源：2019年电子技术应用第8期

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。

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。

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]。

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]。

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。

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。

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。

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)。

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.

编辑：hfy