文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)09-0064-03
電子密碼鎖種類繁多,，如指紋型[1],、紅外遙控[2]、無線射頻RFID[3]和GPS等,。指紋密碼鎖是以人體指紋為識別載體和手段的智能鎖具,，其唯一性和不可復(fù)制性決定了其為最安全的鎖種,，但其價格昂貴、難以普及,。紅外遙控采用紅外傳輸技術(shù),，只需在不遠(yuǎn)處手執(zhí)遙控器，輸入正確密碼即可自動開鎖,，不易被人偷窺,，使用方便、安全,。但鎖若被撬開時難以有效通知用戶,，缺乏遠(yuǎn)程報警功能。
為提高密碼鎖的防盜功能,，本文設(shè)計了一種基于AVR32單片機(jī)的防盜報警密碼鎖,，除具有設(shè)置密碼、修改密碼,、設(shè)置鍵盤鎖定時間,、管理員權(quán)限設(shè)置等功能外，還具有紅外監(jiān)測是否正常開門的功能,。當(dāng)非法開門和輸入密碼錯誤超過3次時,，蜂蜜器報警并通過短信的形式發(fā)送給指定的用戶進(jìn)行報警，從而達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的,。
1 系統(tǒng)功能及架構(gòu)
系統(tǒng)功能：當(dāng)鎖關(guān)閉時,，啟動紅外監(jiān)視模塊以監(jiān)測是否出現(xiàn)非正常開門的情況。用戶輸入密碼,，按下“確認(rèn)”鍵后,，將其與設(shè)定密碼進(jìn)行比較，若一致則開鎖,，同時關(guān)閉紅外監(jiān)視裝置,；若不一致，則提示重新輸入密碼,，重新輸入的次數(shù)不能超過3次,，若3次輸入的密碼均不正確則鎖定鍵盤，發(fā)出聲光報警,，并通過GSM模塊發(fā)送短信給指定的用戶進(jìn)行報警,。在開鎖狀態(tài)下，用戶可修改密碼和設(shè)置鍵盤鎖定時間,。另外,，當(dāng)發(fā)生破門而入等非正常開鎖的情況時，門被打開擋住了信號、紅外接收器接收不到信號時,，同樣會發(fā)出報警信息,。
系統(tǒng)由AVR32單片機(jī)、鍵盤電路,、紅外發(fā)射和接收電路,、液晶顯示、聲光報警和GSM電路組成,。其中鍵盤作為輸入設(shè)備,，用于用戶輸入和修改密碼；液晶顯示器LCD給出相應(yīng)的提示信息,；紅外發(fā)射和接收電路分別放置在門兩側(cè),，由單片機(jī)發(fā)射38 kHz的方波信號,，輸送給紅外發(fā)射電路,。若接收器接收到該信號，則表明門處于關(guān)閉狀態(tài),；若接收不到,，則表明門已被打開。報警模塊包括蜂鳴器報警和遠(yuǎn)程報警,，遠(yuǎn)程報警采用GSM模塊以短消息的方式向用戶發(fā)送報警信息,。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
2.1 鍵盤電路
系統(tǒng)以AVR32單片機(jī)作為主控器,，用于對按鍵等進(jìn)行信號處理,。選擇AVR32單片機(jī)的原因主要是：(1)低功耗，ATMEG-A32運(yùn)行電壓范圍在2.7 V～5.5 V之間,，功耗在正常模式下為1.1 mA,，空閑模式下為0.35 mA，掉電模式下<1 μA,；(2)高速度,，采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能,，數(shù)據(jù)處理速度快,，可達(dá)到1 MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力；(3)片內(nèi)Flash存儲器有32 KB,、2 KB的SRAM,，1 024 B的EEPROM；(4)保密性好,，具有不可破解的位加密鎖Lock bit技術(shù),，可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；(5)帶有3個外部中斷,，32個可編程I/O接口,，方便外接外圍設(shè)備以及軟件實(shí)現(xiàn)[4],。
選用AVR32單片機(jī)4條I/O線作為行線，4條I/O口作為列線設(shè)計為矩陣鍵盤形式,，分別連接在PC口,。連接在單片機(jī)外部中斷PD3端口的控制鍵，通過5.1 k?贅的限流電阻連接在VCC上,。當(dāng)按下該鍵時,，鍵盤開啟，否則處于關(guān)閉狀態(tài),，按鍵無效,，以防止密碼鎖無人使用時單片機(jī)一直對鍵盤掃描，從而降低能耗,。
16個按鍵分為功能鍵和數(shù)字健,，分別是數(shù)字鍵0~9，確認(rèn)鍵E,，修改密碼鍵C,，重新輸入鍵A，設(shè)置鍵盤鎖定時間L,，管理員權(quán)限G,，開啟鍵盤鍵O。
2.2 無線通信電路
采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊,，其功能是通過全球移動通信系統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)向手機(jī)發(fā)送短信[5],。該模塊支持Text和PDU格式的短消息SMS，用戶可通過AT命令進(jìn)行呼叫,、短信,、電話本等方面的控制，具有價格便宜,、無需撥號連接和信號覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn),。
TC35i模塊有40個引腳，通過一個連接器ZIF引出,。單片機(jī),、TC35i模塊與SIM卡之間的連接如圖2所示。其中TC35I的1～5引腳連接正電壓Vcc(推薦值4.2 V),，6～10引腳接地,，11和12腳為充電引腳，可以外接鋰電池,。15腳是啟動腳IGT,，系統(tǒng)上電后為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms,。
TC35I采用外接SIM卡模式,，其中ZIF連接座上的CCIN（24引腳）用于檢測SIM卡是否插好，若連接正確,，則CCIN引腳輸出高電平,，否則為低電平。SIM卡上的CCRST,、CCIO,、CCCL、CCVCC和CCGND通過SIM卡閱讀器分別與TC35I的25～29引腳直接相連,。
TC35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是串行異步收發(fā)器,，符合ITU-RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，硬件握手信號用RTS0/CTS0,，軟件流量控制用XON/XOFF,、CMOS電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集,。其中18腳RxD0,、19腳TxD0為TTL的串口通信腳，需要與單片機(jī)或者PC通信,，與單片機(jī)通信連接時，TxD0接TxD,，RxD0接RxD,。
TC35i的SYNC（32引腳）有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況,，另一種是指示TC35i的工作狀態(tài),，可用AT命令A(yù)T+SYNC進(jìn)行切換，本系統(tǒng)采用指示TC35i的工作狀態(tài),。當(dāng)LED熄滅時,，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮/600 ms熄時,，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登錄,；當(dāng)LED為75 ms亮、3 s熄時,，表明TC35i已登錄進(jìn)網(wǎng)絡(luò),，處于待機(jī)狀態(tài)。
2.3 紅外監(jiān)測電路
為增強(qiáng)防盜功能,，系統(tǒng)在門后的兩側(cè)安裝了紅外監(jiān)測裝置[6],。其中紅外發(fā)射采用HS5100，通過單片機(jī)的PB4口控制三極管開或關(guān)，從而產(chǎn)生38 kHz頻率的發(fā)射信號,。紅外接收選用HS0038,，其只有3個引腳（1Out、2GND,、3Vcc）,，脈沖信號輸出Out腳可直接與單片機(jī)I/O相連。接收不到紅外信號時輸出為高電平,，反之為低電平,。系統(tǒng)采用外部中斷接口PB2連接Out輸出端。如圖3所示,。
3 軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)設(shè)計總流程
系統(tǒng)上電后,，單片機(jī)I/O口、LCD,、內(nèi)存緩沖器初始化,，同時打開定時器和外部中斷。當(dāng)O鍵被按下時,，開始掃描鍵盤,，輸入密碼，期間可進(jìn)行重新輸入操作,，直至按下確認(rèn)鍵E后,，將其與EPROM內(nèi)保存的密碼比較，若一致則開門,，而后可修改密碼,、設(shè)置允許輸錯次數(shù)和設(shè)置鍵盤鎖定時間等操作；否則蜂鳴器響并在LCD上顯示提示信息“密碼錯誤,，請重新輸入”,。當(dāng)輸錯密碼的次數(shù)超過3次時，蜂蜜器報警并發(fā)送手機(jī)短消息給指定用戶報警,，并鎖定鍵盤,。為提高安全性，鎖定鍵盤后,，必須啟用管理員權(quán)限才可以開鎖,。此外，若在5 s內(nèi)沒有按鍵操作時就自動關(guān)閉鍵盤,。
系統(tǒng)軟件運(yùn)行在AVR單片機(jī)上,，包括主控制模塊、鍵盤掃描模塊,、密碼比較判斷,、修改密碼,、報警模塊等。采用C語言作為編程語言,，總流程框圖如圖4所示,。
3.2 鍵盤處理設(shè)計
鍵盤處理模塊包括密碼輸入、修改密碼,、重新輸入和管理員權(quán)限,。輸入密碼采用循環(huán)掃描的方式確定按鍵值，將值存儲起來,，輸入完畢按下確認(rèn)鍵E后,，將其與原來保存的密碼進(jìn)行比較，相等則開鎖,；否則報警,。密碼輸入子流程如圖5所示，期間可重新輸入操作,。
在開鎖狀態(tài)下,，按下修改密碼鍵C，輸入密碼,，按下確認(rèn)鍵E后,，提示“請?jiān)俅屋斎?amp;rdquo;，當(dāng)兩次輸入的密碼一樣時,，該密碼替換原來儲存的密碼值,，并提示“密碼修改成功”。
為增加系統(tǒng)的安全性和人性化,，設(shè)置了管理員權(quán)限,。當(dāng)因密碼輸入錯誤而致使鍵盤被鎖時，在一定的時間內(nèi)不允許再輸入密碼,，避免非法侵入，之后只有使用管理員密碼才能開鎖,。
3.3 GSM軟件設(shè)計
首先將單片機(jī)的串口接收端設(shè)置成輸入,，發(fā)送端設(shè)置成輸出。GSM模塊使用前需先激活,，首先置PD2端口為高電平(約10 ms),，再置其為低電平(約100 ms)，后再置其為高電平(約10 ms),。延時約10 s等待GSM網(wǎng)絡(luò)登錄,，之后發(fā)送連機(jī)命令，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)登錄成功后設(shè)置ATE0(不回顯),、波特率,、信息中心號碼,、短信收發(fā)模式（此處選用txt文本模式）等，然后發(fā)送消息,。
單片機(jī)和GSM模塊之間用AT[7]指令實(shí)現(xiàn)相互之間的通信,，通信數(shù)據(jù)是ASCII碼。AT指令集幾乎所有的指令都以AT（Attention）開始,，如下是主要AT指令的設(shè)置程序,。
char TC35_AWAKE[]="AT+SYNC"；
char TC35_AT[]="AT";//{0x41,0x54,0x0D},；
char TC35_ATE0[]="ATE0",；//關(guān)閉字符回顯
char TC35_IPR[]="AT+IPR=9600"；//設(shè)置波特率為9 600
char TC35_CSCA[]="AT+CSCA=",；//短信服務(wù)中心地址
char TC35_CMGF[]="AT+CMGF=1",；//短信格式，1為文本,，
//0為PDU
char TC35_CMGS[]="AT+CMGS=",；//發(fā)送短消息
char TC35_CMGR[]="AT+CMGR="；//讀短信
char TC35_CMGD[]="AT+CMGD=",；//刪除短信息
char TC35_ATOK[]="OK",；
char TC35_MSGASK[]=">"；
char TC35_NOMSG[]="+CMGR：0,，,，0"；
char TC35_MSGOK[]="+CMGR：",；
char TC35_SENDOK[]="+CMGS：",；
char TC35_CSCAnumber[]="+8613800773500"；
char TC35_ERROR[]="ERROR",；
char TC35_READ[]="REC READ",；
char TC35_UNREAD[]="REC UNREAD"；
char TC35_SMSO[]="AT^SMSO",；//正常退出網(wǎng)絡(luò)并關(guān)機(jī)
發(fā)送實(shí)例：某短消息服務(wù)中心向號碼為“13737743139”的手機(jī)發(fā)送一條報警信息,，內(nèi)容為“Password lock alarm”。
首先TC35i初始化和串口緩沖區(qū)清零,，而后發(fā)送短信服務(wù)中心地址AT+CSCA=''+8613800138500'',，以回車\r（0x0d）結(jié)束。等待回應(yīng),，若設(shè)置成功則返回“OK”,，否則為“ERROR”。之后發(fā)送信息,，格式為：AT+CMGS=<手機(jī)號碼><CR><短信內(nèi)容><0x0d><0x1A>,。即AT+CMGS=''13737743139'',，回車結(jié)束，等待回應(yīng),。若設(shè)置成功則發(fā)送“Password lock alarm”信息,，并以0x0d和0x1A結(jié)束。若發(fā)送成功則返回“OK”,，否則為“ERROR”,。這樣該短消息便成功發(fā)送。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,，系統(tǒng)除具有普通密碼鎖的功能外,，還增添了管理員權(quán)限和紅外檢測是否非正常開門的功能，并能及時通過手機(jī)短信發(fā)送報警信息,，方便快捷,，且不需要支付其他費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的安全性和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力,。
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