论文部分内容阅读
摘要：根据市场上智能门锁的安全隐患问题，为增强智能门锁的安全性、便捷性，我们提出采用手机进行智能门锁解锁的方法，设计了一款基于手机NFC功能的智能门锁。此设计可防止他人通过无线网破解门锁，并且此智能门锁采用不联网非接触式解锁。在此基础上，为使在发生火灾、煤气泄漏时屋内人员快速得到救援，增加了燃气传感器来使门锁在突发紧急情况下被救援人员打开。设计方案安全、稳定、快捷、有效，具有一定的实用性。
关键词：NFC;智能门锁;无线网破解;燃气传感器
随着信息化时代的来临，数字化信息开始不断改变人类的生活，其中，网络就是它的发展产物之一。网络的普及既有优点也有缺点，互联网拉近了人与人之间的距离，便利了人们的生活，但也对人们的隐私安全产生危害，现代社会也发生了许多因互联网导致信息泄露而引起的个人财产生命安全受到危害的许多案例。如今随着时代的变化，越来越多的人开始将互联网与生活联系在一起，智能电器也被广泛地应用进生活，因此智能门锁的使用也越来越广泛。但许多智能门锁仍存在着些许的安全隐患，例如，开门数据指令被窃取风险，服务器被攻击导致密钥泄露风险等等，这些容易忽略的安全隐患不仅会对人们的财产安全造成威胁，更是威胁了人们的生命安全，所以为了使智能门锁更具安全性，我们设计了一款基于NFC功能的智能门锁，可以做到不连接WiFi，蓝牙就能轻松完成解锁，这样可以有效地防止他人通过互联网来获取数据进而揭开门锁的事件发生。本设计基于NFC功能的智能门锁进行了改善与升级，可以使人们在日常解锁中采取更加安全，快捷的方法进行解锁，也大大提高了智能门锁的安全性和防范性，可广泛应用于生活之中。
随着科技与经济的发展，现在很多家庭都摒弃了传统的做法与取暖的方法，越来越多的家庭将天然气或煤气作为主要的能源，天然气具有无色无味的特性，如果天然气泄漏很难通过嗅觉来察觉，因此由于天然气泄漏，煤气泄漏而引起的安全事故逐年增加，为使身陷此类安全事故中人们能够快速察觉危险并且及时得到救援，本智能门锁还安装了燃气传感器，可以用来检测瓦斯、液化石油气、一氧化碳有无泄漏，一旦有泄漏被燃气传感器检测到，智能门锁将会触发其中的报警装置来发出报警信号，此时本设计的智能门锁解锁就能通过已设定程序遇到报警装置发出报警信号从而打开门锁，以帮助救援人员减少救援时间来解救屋内中的人，此功能不仅大大提高了此类安全事故的逃生率，而且还能够有效地提高人们生活环境的安全性与防范性。
目前市场上所存在的智能门锁，其中大多数门锁的锁舌在门关闭的时候都会与门框进行摩擦，这样的设计会使锁舌得到长久的磨损，从而会导致锁舌的使用寿命大大下降，而本智能门锁设计了一种新颖的关门方式，即当门将要关闭上时，锁舌会慢慢收入锁体中，这样可以避免像传统锁舌一样的磨损，从而可以大大增加门锁的寿命，使门锁更好地得到了保护。此外，此设计可有效防止人为触动锁舌致使门打开，设计安全可靠。
1 智能门锁硬件设计
该门锁以Arduino nano v3为控制核心，工作模块有：MQ9可燃气体传感器、霍尔传感器、MFRC522读卡器、L298N电机驱动器、蜂鸣器。所有功能模块均选用体积最小，稳定性最高的版本，保证用户使用时的功能稳定和性能安全。
1.1 arduino nano v3参数
该门锁选用的开发板是arduino USB版本中最小体积直插式开发板，处理器为ATmega328，存储器为32KB Flash，其中2KB用于BootLoader，同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。接口部分除MiniB USB接口外，有14路数字输入/输出口，其中6路可作为PWM输出，8路模拟输入。选用16MHz晶体振荡器，工作时钟16MHz。工作电压5V，推荐输入电压7—12V，实际输入电压620V。支持SPI、I2C、COM通信方式。
1.2 L298N电机驱动模块参数
该门锁锁舌的工作电压为12V，所以不能直接使用开发板的工作电压进行驱动，所以采用该驱动模块对门锁进行控制。驱动电压5V35V，当驱动电压输入为5V12V时，可输出5V的逻辑电压供驱动板逻辑控制，同时还可以输出供其他设备使用，所以該门锁的其他模块的供电全部由该驱动板提供。驱动电流单桥最大2A，最大功率25W。具有超宽工作温度范围，可以在极限环境下提供稳定的输出，保证设备的稳定运行和用户的消防安全。通过开发板的数字信号0和1对驱动板进行操作，从而达到控制电磁锁舌的收缩，进行解锁。
1.3 MFRC522 IC卡感应模块参数
该模块用于读取用户的卡片信息，判断是否有解锁权限。支持的卡片类型有mifare S50、mifare S70、mifare UItraLight、mifare Pro、mifare Desfire。工作频率13.56MHz，能在-20℃～80℃稳定工作，为用户提供极限环境的稳定解锁。工作电压3.3V，可以直接使用开发板的输出电压。通信方式为SPI，可同时进行数据双向传输。
1.4 3144霍尔传感器参数
该传感器是一种磁传感器，用于检测磁场的变化，可以直接输出数字和模拟信号。该门锁使用该传感器的目的是用于检测门当前状态，在门框或锁扣上加装磁铁或直接充磁即可。工作电压5V，工作电流15mA。配合电位调节器，可进行灵敏度调节。
1.5 MQ9可燃气体&烟雾传感器模块参数
该气体传感器采用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2），采用高低温循环检测的方式检测可燃气体，传感器的电导率随空气中可燃气体的浓度增大而增大。低温（1.5V加热）时，检测一氧化碳;高温（5V加热）时，检测甲烷，丙烷，并清洗低温时吸附的杂散气体。检测浓度为101000ppm，加热功耗350mW，工作电压5V，测试工作温度20℃。 2 功能介绍
由于该锁控制系统没有机械结构，所以所有的操作动作都转化为电信号。
2.1 反锁功能
当检测到反锁信号时，屏蔽所有的解锁信号，同时检测到解锁信号时，进行蜂发声和LED灯光提示。当检测到非反锁信号时，可进行正常解锁操作。
2.2 非接触式IC卡解锁、记录功能
非接触式IC卡由IC芯片、感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化。IC读卡模块可检测极限距离为7cm，当有IC卡靠近时，自动读取IC卡信息进行判断。当检测到已添加的IC卡信息时，执行解锁流程;当检测到未添加的IC卡信息时，则进行蜂鸣和灯光提示，同时记录该卡片信息，留作证据。
2.3 添加/删除用户IC卡功能
当检测到添加IC卡信号时，进入添加IC卡流程。首先等待刷最高管理权限卡，验证是管理员正在进行操作，验证通过后，再刷要添加的卡片，刷完后提示保存状态，保存成功后，该卡片可进行解锁操作。设定可保存10张IC卡信息，为保证系统的稳定运行，可保存卡片的数量设定应考虑内存的因素。当检测到删除卡信号时，则删除最近添加的用户IC卡信息，此后该卡片则无法进行解锁。
2.4 门当前状态判断功能
通过霍尔传感器，检测门当前的状态。当门锁启动时，首先判断门状态。如果门处于打开状态，则释放锁舌等待用户关门，如果处于关门状态，释放锁舌等待用户解锁。当门被解锁后，用户正常推开门，检测到门被打开，则锁舌释放，防止用户长期开门状态下锁舌一直处于收回狀态，导致功耗增加，甚至烧坏电磁线圈。如果门被解锁后，用户在设定时间内未推开门，检测到门一直处于关闭状态，则重新上锁，等待用户再次解锁。
2.5 非正常解锁开门报警功能
当门锁未解锁或未经过解锁流程后，检测到门被打开，则进行警报。可以提示用户门已被暴力方式开启或破坏。
2.6 火灾、燃气泄漏辅助消防功能
为解决发生火灾、燃气泄漏灾害时，消防人员无法及时打开门而延误救援时间的问题，门锁加装烟雾和可燃气体传感器，当检测到室内燃气或烟雾浓度达到设定值时，发出警报，并且门外人员可直接打开门锁，进行施救。
2.7 锁舌摩擦保护功能
普通机械门锁进行关门操作时，通过锁舌的斜面结构将锁舌压入锁扣，这种结构的门锁可以使用薄片插入门缝，将锁舌压回门锁内，打开门锁。为减少摩擦和结构漏洞，该门锁锁舌使用直插圆柱结构，不仅可以防止机械性破解，还可以通过霍尔感应器检测是否接近门框，从而实现快速自动收回锁舌，保护锁舌。
3 结论
将无线解锁与安全系统相结合，提出基于NFC功能进行智能解锁方案。系统在高效便捷的解锁情况下，还大大增加了智能门锁的安全性，符合当代社会的需求发展。随着智能门锁逐步成为家庭智能安全的核心单品，现已是智能家居生态链上不可或缺的核心组成部分。
参考文献：
[1]马海霞，高伟豪，曾超华，等.基于WiFi的无线智能门锁设计[J].电子设计工程，2019，27（21）：160171.
[2]黄道敏，唐国元.非接触IC卡智能门锁及监控系统开发[J].工业仪表与自动化装置，2004，3：30.
[3]彭鸿烈.物联网时代智能锁行业将迎来爆发式增长[J].中国安防，2017（11）：4346.
[4]程启明，谭青.非接触式IC卡预收费电度表的设计[J].北京：电子技术应用，2003，（3）.
[5]Philips SemIConductors.DataSheet of 87LPC764[Z].2001 Apr04.
[6]毛丰江.无线通信在IC卡门禁系统中的应用[J].微计算机信息，2005，21（11）：174176.
[7]nRF905 RF and antenna layout.NordIC SemIConductor ASA，2004，10.
[8]何涛.基于NFC的数字化智能门禁系统研究与设计[J].科技创新与应用，2018（19）：9495.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目，项目名称：定时门锁的设计与实现（项目编号：XCD2019002）
作者简介：树豫（1999—），女，江苏泰州人，本科，南通理工学院电气与能源工程学院学生，研究方向：电气工程。
*通讯作者：耿丽（1978—），女，江苏宿迁人，硕士，南通理工学院电气与能源工程学院讲师，工程师，研究方向：应用电子技术。
关键词：NFC;智能门锁;无线网破解;燃气传感器
随着信息化时代的来临，数字化信息开始不断改变人类的生活，其中，网络就是它的发展产物之一。网络的普及既有优点也有缺点，互联网拉近了人与人之间的距离，便利了人们的生活，但也对人们的隐私安全产生危害，现代社会也发生了许多因互联网导致信息泄露而引起的个人财产生命安全受到危害的许多案例。如今随着时代的变化，越来越多的人开始将互联网与生活联系在一起，智能电器也被广泛地应用进生活，因此智能门锁的使用也越来越广泛。但许多智能门锁仍存在着些许的安全隐患，例如，开门数据指令被窃取风险，服务器被攻击导致密钥泄露风险等等，这些容易忽略的安全隐患不仅会对人们的财产安全造成威胁，更是威胁了人们的生命安全，所以为了使智能门锁更具安全性，我们设计了一款基于NFC功能的智能门锁，可以做到不连接WiFi，蓝牙就能轻松完成解锁，这样可以有效地防止他人通过互联网来获取数据进而揭开门锁的事件发生。本设计基于NFC功能的智能门锁进行了改善与升级，可以使人们在日常解锁中采取更加安全，快捷的方法进行解锁，也大大提高了智能门锁的安全性和防范性，可广泛应用于生活之中。
随着科技与经济的发展，现在很多家庭都摒弃了传统的做法与取暖的方法，越来越多的家庭将天然气或煤气作为主要的能源，天然气具有无色无味的特性，如果天然气泄漏很难通过嗅觉来察觉，因此由于天然气泄漏，煤气泄漏而引起的安全事故逐年增加，为使身陷此类安全事故中人们能够快速察觉危险并且及时得到救援，本智能门锁还安装了燃气传感器，可以用来检测瓦斯、液化石油气、一氧化碳有无泄漏，一旦有泄漏被燃气传感器检测到，智能门锁将会触发其中的报警装置来发出报警信号，此时本设计的智能门锁解锁就能通过已设定程序遇到报警装置发出报警信号从而打开门锁，以帮助救援人员减少救援时间来解救屋内中的人，此功能不仅大大提高了此类安全事故的逃生率，而且还能够有效地提高人们生活环境的安全性与防范性。
目前市场上所存在的智能门锁，其中大多数门锁的锁舌在门关闭的时候都会与门框进行摩擦，这样的设计会使锁舌得到长久的磨损，从而会导致锁舌的使用寿命大大下降，而本智能门锁设计了一种新颖的关门方式，即当门将要关闭上时，锁舌会慢慢收入锁体中，这样可以避免像传统锁舌一样的磨损，从而可以大大增加门锁的寿命，使门锁更好地得到了保护。此外，此设计可有效防止人为触动锁舌致使门打开，设计安全可靠。
1 智能门锁硬件设计
该门锁以Arduino nano v3为控制核心，工作模块有：MQ9可燃气体传感器、霍尔传感器、MFRC522读卡器、L298N电机驱动器、蜂鸣器。所有功能模块均选用体积最小，稳定性最高的版本，保证用户使用时的功能稳定和性能安全。
1.1 arduino nano v3参数
该门锁选用的开发板是arduino USB版本中最小体积直插式开发板，处理器为ATmega328，存储器为32KB Flash，其中2KB用于BootLoader，同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。接口部分除MiniB USB接口外，有14路数字输入/输出口，其中6路可作为PWM输出，8路模拟输入。选用16MHz晶体振荡器，工作时钟16MHz。工作电压5V，推荐输入电压7—12V，实际输入电压620V。支持SPI、I2C、COM通信方式。
1.2 L298N电机驱动模块参数
该门锁锁舌的工作电压为12V，所以不能直接使用开发板的工作电压进行驱动，所以采用该驱动模块对门锁进行控制。驱动电压5V35V，当驱动电压输入为5V12V时，可输出5V的逻辑电压供驱动板逻辑控制，同时还可以输出供其他设备使用，所以該门锁的其他模块的供电全部由该驱动板提供。驱动电流单桥最大2A，最大功率25W。具有超宽工作温度范围，可以在极限环境下提供稳定的输出，保证设备的稳定运行和用户的消防安全。通过开发板的数字信号0和1对驱动板进行操作，从而达到控制电磁锁舌的收缩，进行解锁。
1.3 MFRC522 IC卡感应模块参数
该模块用于读取用户的卡片信息，判断是否有解锁权限。支持的卡片类型有mifare S50、mifare S70、mifare UItraLight、mifare Pro、mifare Desfire。工作频率13.56MHz，能在-20℃～80℃稳定工作，为用户提供极限环境的稳定解锁。工作电压3.3V，可以直接使用开发板的输出电压。通信方式为SPI，可同时进行数据双向传输。
1.4 3144霍尔传感器参数
该传感器是一种磁传感器，用于检测磁场的变化，可以直接输出数字和模拟信号。该门锁使用该传感器的目的是用于检测门当前状态，在门框或锁扣上加装磁铁或直接充磁即可。工作电压5V，工作电流15mA。配合电位调节器，可进行灵敏度调节。
1.5 MQ9可燃气体&烟雾传感器模块参数
该气体传感器采用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2），采用高低温循环检测的方式检测可燃气体，传感器的电导率随空气中可燃气体的浓度增大而增大。低温（1.5V加热）时，检测一氧化碳;高温（5V加热）时，检测甲烷，丙烷，并清洗低温时吸附的杂散气体。检测浓度为101000ppm，加热功耗350mW，工作电压5V，测试工作温度20℃。 2 功能介绍
由于该锁控制系统没有机械结构，所以所有的操作动作都转化为电信号。
2.1 反锁功能
当检测到反锁信号时，屏蔽所有的解锁信号，同时检测到解锁信号时，进行蜂发声和LED灯光提示。当检测到非反锁信号时，可进行正常解锁操作。
2.2 非接触式IC卡解锁、记录功能
非接触式IC卡由IC芯片、感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化。IC读卡模块可检测极限距离为7cm，当有IC卡靠近时，自动读取IC卡信息进行判断。当检测到已添加的IC卡信息时，执行解锁流程;当检测到未添加的IC卡信息时，则进行蜂鸣和灯光提示，同时记录该卡片信息，留作证据。
2.3 添加/删除用户IC卡功能
当检测到添加IC卡信号时，进入添加IC卡流程。首先等待刷最高管理权限卡，验证是管理员正在进行操作，验证通过后，再刷要添加的卡片，刷完后提示保存状态，保存成功后，该卡片可进行解锁操作。设定可保存10张IC卡信息，为保证系统的稳定运行，可保存卡片的数量设定应考虑内存的因素。当检测到删除卡信号时，则删除最近添加的用户IC卡信息，此后该卡片则无法进行解锁。
2.4 门当前状态判断功能
通过霍尔传感器，检测门当前的状态。当门锁启动时，首先判断门状态。如果门处于打开状态，则释放锁舌等待用户关门，如果处于关门状态，释放锁舌等待用户解锁。当门被解锁后，用户正常推开门，检测到门被打开，则锁舌释放，防止用户长期开门状态下锁舌一直处于收回狀态，导致功耗增加，甚至烧坏电磁线圈。如果门被解锁后，用户在设定时间内未推开门，检测到门一直处于关闭状态，则重新上锁，等待用户再次解锁。
2.5 非正常解锁开门报警功能
当门锁未解锁或未经过解锁流程后，检测到门被打开，则进行警报。可以提示用户门已被暴力方式开启或破坏。
2.6 火灾、燃气泄漏辅助消防功能
为解决发生火灾、燃气泄漏灾害时，消防人员无法及时打开门而延误救援时间的问题，门锁加装烟雾和可燃气体传感器，当检测到室内燃气或烟雾浓度达到设定值时，发出警报，并且门外人员可直接打开门锁，进行施救。
2.7 锁舌摩擦保护功能
普通机械门锁进行关门操作时，通过锁舌的斜面结构将锁舌压入锁扣，这种结构的门锁可以使用薄片插入门缝，将锁舌压回门锁内，打开门锁。为减少摩擦和结构漏洞，该门锁锁舌使用直插圆柱结构，不仅可以防止机械性破解，还可以通过霍尔感应器检测是否接近门框，从而实现快速自动收回锁舌，保护锁舌。
3 结论
将无线解锁与安全系统相结合，提出基于NFC功能进行智能解锁方案。系统在高效便捷的解锁情况下，还大大增加了智能门锁的安全性，符合当代社会的需求发展。随着智能门锁逐步成为家庭智能安全的核心单品，现已是智能家居生态链上不可或缺的核心组成部分。
参考文献：
[1]马海霞，高伟豪，曾超华，等.基于WiFi的无线智能门锁设计[J].电子设计工程，2019，27（21）：160171.
[2]黄道敏，唐国元.非接触IC卡智能门锁及监控系统开发[J].工业仪表与自动化装置，2004，3：30.
[3]彭鸿烈.物联网时代智能锁行业将迎来爆发式增长[J].中国安防，2017（11）：4346.
[4]程启明，谭青.非接触式IC卡预收费电度表的设计[J].北京：电子技术应用，2003，（3）.
[5]Philips SemIConductors.DataSheet of 87LPC764[Z].2001 Apr04.
[6]毛丰江.无线通信在IC卡门禁系统中的应用[J].微计算机信息，2005，21（11）：174176.
[7]nRF905 RF and antenna layout.NordIC SemIConductor ASA，2004，10.
[8]何涛.基于NFC的数字化智能门禁系统研究与设计[J].科技创新与应用，2018（19）：9495.
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目，项目名称：定时门锁的设计与实现（项目编号：XCD2019002）
作者简介：树豫（1999—），女，江苏泰州人，本科，南通理工学院电气与能源工程学院学生，研究方向：电气工程。
*通讯作者：耿丽（1978—），女，江苏宿迁人，硕士，南通理工学院电气与能源工程学院讲师，工程师，研究方向：应用电子技术。