基于超声波的智能门锁系统

摘 要 就目前社会城镇化发展带来的流动人口管理及其暂住地的出租房的安全性难以管理的问题，本文提出了以智能门锁结合后台管理系统形成一整套集信息管理、安全监控、智能开锁为一体的智能门锁系统解决方案。展示了智能门锁信号交互模块、机械臂模块、物联网模块等。此系统可提高公安对流动人口的管理、增加流动人口租房的安全性，实现快速智能开锁，具有很好的实用意义、市场价值和社会效益。

关键词 超声波；动态密码；机械臂；智能门锁

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）200-0126-06

Based on the ultrasonic wave intelligence door lock system

Abstract At present， the problems of the management of migrant workers brought by the urbanization development and the safety of the rental housing are difficult to manage. this paper puts forward the intelligent combination lock background management system to achieve a whole set of leasing， information management，security monitoring， intelligent lock for the integration of smart door lock system solutions.Show smart door lock signal interaction modules， a robotic arm module， network module， etc.This system can improve the public security management of the floating population， increase the security of the floating population rent，achieve rapid intelligent lock， have a good practical significance and market value.

Keywords Ultrasonic；Dynamic password；smart door locks；mechanical arm

近年來随着城镇化进程的发展加速了流动人员数量的增加，流动人口在暂住地租房问题与安全事件频发，主要集中在“治安、消防、卫生、扰民”等方面，出租房管理是城市化进程中的“顽疾”，群众对此反响强烈，各地流动人口及其出租房安全性问题亟待解决。与此同时，政府职能部门对外来流动人口的监管难度也日益增加，因此设计出一套便于公安监管、加强租房安全的智能门锁系统已迫在眉睫。

当前市场上通用的智能门锁（如指纹锁、密码锁、IC卡锁）均属于单机版门锁，它一定程度上提高了门锁的安全性，但并不具备互联网联网功能，对流动人口的管理起不到相应的监管作用。本方案采用超声波机制和三重加密技术的动态密码机制，利用物联网与互联网技术，借助超声波通信和3G移动通信技术，实现智能门锁和手机端、互联网平台三者间相互的双向信息交互，达到智能认证、安全开锁的目的，很好地解决上述难题。相比而言，超声波智能门锁具有制造成本低、安全性更好、使用便捷、用户满意度高等特点。

1 超声波智能门锁系统总体框架设计

本方案设计了一款基于超声波技术和动态加密机制的智能门锁系统。该系统以超声波门锁为主控核心，以智能手机为客户端，通过对用户详细资料认证和动态密码等信息比对，实现房屋门锁的智能开关和对开锁人的安全监管。

超声波智能门锁系统采用超声波技术与物联网技术，在门锁、手机终端和云端管理平台三者之间相互建立通信，实现双向信息交互。通过信息交互、用户开锁密码识别、用户资料认证等，智能判断开锁人信息，达到智能认证、安全开锁的目的。开锁时智能门锁与手机端之间通过超声波通信与识别技术在门锁端本地进行信息交互与匹配，并及时将门锁锁态信息上报到云端管理平台。此后云端平台更新动态密码并下发至智能门锁，以便再次开锁时进行认证与匹配。关锁时智能门锁自动将关锁的相关信息（如门锁锁态、定位地址等）上报到云端平台。除此之外，当发生非法用户向智能门锁发送开锁信号或者强行破坏门锁或者关门门锁未到位而用户已离开的情况时，智能门锁将发出警报并将“非正常开锁”或“关锁未成功”等报警信息通过云端传送到公安后台管理系统与用户端，管理平台则记录非法用户位置、用户信息，公安视情况出警处理。

超声波智能门锁系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要有超声波模组、物联网3G通信模组、机械执行模块、电源管理模块等；软件部分主要指布置在云端的管理平台、手机客户端App、智能门锁各通信模组的嵌入式程序等，主要是各类信息的认证、鉴别、存储、控制与对接工作。

2 智能门锁硬件模块

超声波智能门锁系统硬件由物联网3G模组、超声波模组、电源管理模块和执行模块组成。

2.1 超声波模组

超声波模组主要是利用超声波技术来完成智能门锁与手机终端间的近场通信，继而进行智能认证；当用户信息一致、密码信息匹配时，超声波模块发出控制信息直至执行机构，从而完成智能门锁的开锁动作。

本方案中超声波模块采用CX20106A芯片，该芯片是CX20106芯片的升级版，具有接收与发射的双工能力，与传统的超声波芯片相比其灵敏度高、抗干扰能力强，具有性能更稳定、安全性更高的特点。作为一种专用于检测超声波的芯片，主要是用来实现智能门锁与用户手机端的近场通信，完成数据交互，利用超声波固有的自带加密和自动销毁功能，确保信息安全；同时芯片通过内部电路将智能门锁的开锁信息及时传送给核心模块MF206A芯片处理。

2.1.1 超声波接收模块

CX20106A的接收单元通过音频处理器，接收规定频段附近的超声波信号，进行解码、滤波、稳波等处理，在输出端产生一个低电平下降脉冲，这个信号被连接到MCU控制处理单元，智能门锁根据处理结果执行相应动作，CX20106A的5脚的电阻决定接收的中心频率为40kHz。

2.1.2 超声波发射模块

采用74ALS04反相器作为超声波信号的发射单元，信号经编译处理后将电能转换成超声波，通过发射端发送出。此电路的设计是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器转换成超声波；为获得最佳发射效果，需确保高频振荡频率与换能器固有频率一致，可通过调节可调电阻阻值来调节频率。发射端输出频率为40kHz±2kHz，发射距离可达9M（本方案中控制为5M）。

CX20106A芯片共有8个引脚，信号输入与输出、GND地和供电电源分别接芯片GPIO的1、7、4、8接口，供电电压为：+4.5～5V，超声波中心工作頻率为40KHz。

2.2 物联网3G通信模组

物联网3G通信模组作为智能门锁的核心模块，采用MF206A芯片，该芯片具有MCU处理能力与FLASH存储功能，兼具3G联网、GPS定位功能为一体。通过编写内部特定嵌入程序，结合外部模块电路使3G模组在空闲时处于休眠状态，当接收开关锁信号时可快速自动唤醒3G模组，实现低功耗目的；3G模组通过3G网络实现智能门锁与云端平台间的信息交互。

2.2.1 3G模组发送模块

当用户开锁或关锁时，智能门锁将接收到用户开关锁信息、门锁锁状态信息及用户详细注册信息并进行记录，通过3G通信发射模块上报到云端管理系统，云端系统对此信息进行存储，便于公安从后台平台监管租户信息。

2.2.2 3G模组接收模块

当智能门锁完成一次开锁程序后，云端管理平台及时自动生成新的动态密码，通过3G网络将动态密码、用户资料等信息一并下发至智能门锁；此时，3G通信模组的接收模块负责接收来自云端平台的信息并推送至主芯片MCU处理。

MF206A芯片具有短信和数据功能，支持Linux/Andriod等操作系统，内置TCP/IP协议栈、两路UART口并支持SPII2C接口；采用2.8V直流电供电，功耗低；收发信采用维力谷公司的3PIN接头无源天线。通过内置精确定位模块电路，实现超高精度的定位准确性。

2.3 电源管理模块

本方案电源管理模块采用XL7015电压转换芯片，经过稳压电路将电池电压转成各芯片所需供电电压。同时可将电池电量信息通过核心模块实时传送到云端，实现对门锁稳定性的实时监控。 XL7015是一款高效、高压降压型DC-DC转换模块，固定开关频率150KH，可提供最高0.8A的输出电流能力，低波纹，线性调节率和负载调节率极高，并具有自保功能。

电源模块供电电池输入电压、输出供电电压、功率开关输出、GND地分别接芯片GPIO的1、2、3、4接口；模块供电采用4节1.5V电池串联提供，输出电压为1.25—80V可调。

2.4 本章小结

本章节介绍了智能门锁的主要硬件模块，包括物联网3G模组、超声波模组、电源管理模块等，介绍了各个模块使用的芯片型号及其主要优势等信息，对各个模块之间的相互连接进行简单分析。

3 智能门锁系统软件模块

系统软件包含了用户数据库、智能门锁数据库、物联网协议、管理与应用平台等模块。本文主要介绍其中管理平台的应用流程：包括布置在云端的管理软件、安装于智能门锁嵌入式程序和手机端的App，主要是用来记录、存储、比对、验证与应用管理。

3.1 系统总框架流程图

如图7，按照设计要求，开锁前，智能门锁在接上电池后便自动与云端管理平台进行信息交互，云端平台认证、记录智能门锁信息，如地址、ID号、门锁业主等；并向智能门锁下发动态密码，动态密码被智能门锁接收并暂存于其核心芯片（通信模组），以便开锁使用。用户须通过手机客户端（智能门锁App）进行实名注册方可取得授权；通过系统平台认证后，用户详细注册信息被存储于系统，便于用户开锁时比对验证。

开锁时，用户通过手机客户端APP向云端平台获取开锁密码，并连同用户详细资料一并打包，通过超声波近场通信传送给智能门锁，发起“开锁请求”；智能门锁将在本地比对来自手机客户端的“用户资料、开锁密码”等信息。如接收到的开锁密码和智能门锁暂存的动态密码匹配则执行开锁动作；如不匹配则不执行开锁动作；如若开锁人强行开锁，则系统自动生成报警；以达到维护房户安全的目的。无论智能门锁其开锁动作执行或完成与否或被强行开锁，智能门锁均自动将用户信息、锁态信息、开锁时间等信息通过3G网络上报发送到云端平管理台，云端平台同步转发给公安后台管理平台和用户手机终端，公安可通过后台对相关门锁与开锁人进行查询、分析；并通过3G网络向手机终端发出告警提示，以达到维护租户安全的目的。

关锁时，智能门锁由机械臂执行模块实施关锁动作；关锁动作完成后无论门锁成功关闭或未成功关闭或关闭动作未到位而用户已离开房间，智能门锁均自动将此次关锁过程的相关信息（如：关锁时间、用户信息、智能门锁电量及智能门锁锁态信息等）通过3G网络上报至云端管理平台与手机客户端。云端平台接收到智能门锁上报的信息后进行分析与存储，并自动生成新的动态密码，并通过3G网络下发到智能门锁暂存，在提高智能门锁安全性同时为再次开锁做好准备。

本方案为实现低功耗，除了开锁或关锁的过程外，设计智能门锁的核心模块MF206A在其他不工作时段均处于休眠状态，当接收到开锁或关锁信号时可瞬间自动唤醒，既可节省电池电量，又不影响用户的开锁体验，还可增加芯片的使用寿命。

3.2 注册与密码获取流程

如图8，当智能门锁安装于房门并接通电池电源后，智能门锁自动通过3G网络向云端管理平台发出“联网请求”并进行信息交互，云端平台对智能门锁进行身份认证后，向智能门锁下发动态密码，动态密码被智能门锁接收并暂存于其核心芯片中，随即该芯片进入休眠状态，以实现低功耗。

如图9，开锁前，用户须通过手机客户端（智能门锁App）进行实名注册，系统平台对注册用户进行实名认证，并采集用户详细注册信息存储于系统。开锁时，验证后获得授权的用户通过手机客户端（智能门锁App）借助3G网络向云端平台发起“开锁请求”，云端平台对该用户进行身份认证，认证通过后将该动态密码与用户资料等信息一并发给手机终端，用户即可向门锁发出“开锁指令”并执行下一流程。

3.3 开关锁过程3G连接模块流程图

如圖10，开锁时智能门锁通过3G网络向云端管理平台报送本次开锁过程的所有相关信息，包含开锁人详细用户信息、密码匹配信息、门锁锁态信息，门锁定位信息（地址）、ID号、门锁业主信息等。而云端管理平台在接收并存储来自智能门锁的相关信息后，并通过三重加密技术，自动生成新的动态密码，经3G网络下发给智能门锁；智能门锁接收来自云端平台的新的动态密码，用于下次开锁时信息匹配。与此同时，云端平台将相关信息通过3G网络传送给用户与相关管理人员，以便查询、处理。整个开门过程只需2s左右，完全可以实现用户对开锁时间的要求。

如图11，关锁时智能门锁通过3G网络将此次关锁时间、用户信息、智能门锁电池电量及门锁锁态等信息上传到云端平台。云端平台接收来自智能门锁的关锁信息加以分拣处理，并通过3G网络发送到开锁人或相关管理人员，告知相关门锁状态，以便采取相应措施。

3.4 超声波模块流程图

如图12，用户通过手机端发送指令到智能门锁，指令以超声波的形式在智能门锁和手机端之间进行通讯，智能门锁采集到超声波信号后根据不同的超声波信号波长等来判断出是否属于可用超声波信号，将频段内的超声波信号接收并进行滤波、放大、稳波处理，然后判断用户资料、开锁密码等信息是否均匹配并决定是否执行开锁动作，匹配成功则执行开门动作。并将开锁过程的记录信息以3G方式发送到云端管理平台。在不工作的时候芯片均处于休眠状态，避免电量的浪费，增加芯片的使用寿命。

3.5 本章节总结

本章节介绍了系统软件设计总体思路，并通过绘制流程图完成系统软件编写。主要简介3G模块与超声波模块工作流程的设计思路和控制方法。

4 本方案的创新点

4.1 超声波开锁机制

利用超声波识别技术，在声波内嵌入所需交互的信息（如密码、身份验证等信息），在手机终端与智能门锁间建立闭环近场通信，完成设备间的数据信息交换、鉴权认证和文件共享等业务功能。

4.2 动态密码安全机制

利用超声波具有“使用独立的识别ID，在完成一次信息交互后自行销毁，并不能被记录或泄密”的特点，在手机终端与智能门锁间建立通信小闭环，保证了手机终端与智能门锁间的通信的保密性；同时，在每次开关锁后，系统云端管理平台自动生成具有三重加密技术的新的动态密码，以提高密码的安全性，确保传送数据的高安全性。

4.3 实名注册与认证管理机制

本方案设计采用实名注册、系统认证机制，用户须通过手机客户端“超声波智能门锁App”在线上进行实名注册、系统认证的程序，只有通过认证的用户方能取得相应权限。而通过认证被授权的用户其详细的相关身份信息均被记录于系统管理平台，继而保存在公安数据库。公安经过大数据运算与信息比对，可实现对流动人员的实时监管，提升了政府职能部门管理手段，保障社会治安长效机制。

4.4 实时可靠、便捷易用

由于建立了手机终端与智能门锁间的近场通信小闭环，实现两者间的双向认证通信，即使是在公众网络条件有限的情况下，仍可脱离公众网络单独建立安全可靠的通信链路，保障了电子凭证的实时验证，在使用场景、信息交互时间、制造生产成本和兼容性方面显示了突出优势，大大提高了身份验证等信息的实时性、可靠性和安全性，从而进一步提高了用户的满意度。

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