2 智能门锁的基本原理
2.1 传统门锁存在的问题与智能门锁的优势
传统门锁往往需要钥匙或卡片进行解锁，但在大型公司或公共场合的应用往往需要大量的管理和更新，尤其是在更新锁的时候，对学生或员工是非常不方便的，更容易导致安全风险和少量成本输入。但是智能门锁在互联网的技术推动下，更新密码及远程操控都使锁的便捷性提高了，这意味着只有授权的人才会进入特定的区域，大幅提高了公共或商用场所的安全性。
随着科技的不断进步，门锁的智能化水平也日益提升。通过在传统门锁基础上增加Wi-Fi功能和键盘输入，使得门锁的操作变得更加便捷和智能化，为用户带来更便利的使用体验。采用单片机作为主控芯片，采用C语言的编写程序并结合外围的键盘输入、显示、报警、开锁等电路设计的一款智能门锁，可应用于住宅、办公室等场所，本设计还具有使用手机远程开关门，按键输入密码，输入密码错误报警，修改密码等多种功能，实用性比较强，有广泛的市场前景[12]。
最近几年，智能家居行业蓬勃发展，智能产品逐渐走进千家万户，其优势性能正在潜移默化地影响着我们的生活。作为智能家居硬件产品第一入口,智能门锁以其方便、解决“忘带钥匙”等 优点深受大众认可[13]。有很多种智能锁解锁的方式。一些专家和科技人员已经开始研究如何解决这个问题，并提出了一系列的解决方案，包括密码锁、指纹锁、红外遥控锁、蓝牙密码锁等多种门锁系统。本文以实际情况为基础，采用单片机结合无线射频识别（RFID）和无线WiFi传输等物联网技术，设计了一种多模式智能门锁系统。用户可以通过按键输入密码解锁,也可以使用ID卡刷卡解锁,同时能 通过手机端 App 进行解锁,安全可靠、成本较低[14]。
2.2 智能门锁的基本构成与功能
智能门锁的结构主要由步进电机模块、OLED显示屏模块、指纹识别模块、矩阵键盘模块、RFID-RC522卡片解锁模块等组成，其中步进电机锁体是整个智能门锁的核心部件，负责锁住门。针对不同的用户需求，智能门锁还有多种设计，如指纹识别、密码等多种开门方式。
本次基于单片机的智能门锁设计主要包含指纹解锁、数字密码解锁和智能卡片解锁三个方向功能。指纹解锁：通过指纹识别器认证用户身份后开启门锁。密码解锁：通过输入正确的密码解锁门。智能卡解锁：通过刷智能卡解锁门。
2.2.1 指纹解锁模块
本次指纹解锁采用AS608指纹识别技术（如下图2-1所示），该模块的厂商只是基于该芯片设计外围电路，集成一个可供二次开发的指纹模块；所以，只要是基于AS608芯片的指纹模块，其控制电路及控制协议几乎是一样的[15]。AS608模块的各引脚如图2-2所示，其中的WAK引脚用于检测手指是否按下。当有手指按下时，WAK引脚会输出高电平；而在没有手指按下时，WAK引脚会维持低电平状态。
图2-1 AS608指纹模块3 智能门锁系统设计
3.1 系统总体构架设计
本文设计的智能门锁系统主要由几个模块组成，包括主控制器模块、按键解锁模块、ID卡解锁模块、液晶显示模块和指纹解锁模块。门锁的控制器部分主要负责对数据的处理和开锁的控制，并且同时利用显示屏模块展示相关开锁信息。按键密码解锁模块主要用于在设置密码、修改密码或者解锁时使用；而ID卡刷卡解锁模块则通过识别卡片的技术，实现了简便的刷卡开锁操作，使刷卡即可进入成为可能。报警模块主要用于在密码多次未输入正确时发出警报，最高上限次数为5次。本次设计采用模块化设计方式，整体设计如图3-1所示。
图3-1 整体设计框架
3.2 电路设计及原理图
3.2.1 主控制器模块
本文选择了STM32F407ZGT6单片机作为主要控制器。它的外部I/O接口主要用于连接或控制其他模块的电路。单片机内部的电路能够对从外部获取的信息数据进行处理，并控制执行需要用到的的操作。
3.2.2 按键解锁模块
由于按键较多，按键模块选用 4×4 矩阵键盘,用于密码的输入、设置等操作，检测阶段，I/O口会不断地给低电平,如果检测到按键各行电平信号有高电平出现，即可判断哪个按键被按下。在屏幕上会显示每个按键对应输入什么，例如，“0~9”为密码字符键,“UP”为向上选择按键,“DOWN”为向下选择按键,“OK”为确认密码按键,“LOCK”为关锁键。
3.2.3 ID卡解锁模块
本文采用了无线射频识别（RFID）模块来进行ID卡的读卡和识别（如图3-2所示）。它支持读取卡片和删除卡片的操作。在使用的时候，当ID卡接近模块的识别感应区域时，就会识别并自动输入相应的卡号。对于已采集记录过的ID卡，模块的输出接口将输出高电平，否则输出低电平。当单片机检测到输出为高电平时，将控制驱动模块执行开锁操作。
图3-2 RFID刷卡模块原理图
3.2.4 液晶显示模块
液晶显示模块（如图3-3所示）应用方面较广，本文主要用于密码输入、更改和开锁提示的内容显示。系统中配置了蜂鸣器进行提示辅助,电路如图二中OLED显示模块部分所示。
图3-3 OLED显示模块原理图
4 智能门锁的调试与性能测试
4.1 系统硬件部分调试
前三章已经将系统的软硬件部分都做了出来，实际的门锁也能达到指令对其的控制。然而，系统的最终成功与否还需要通过实际调试来验证。因此，本章的主要任务是描述系统的调试过程和性能测试。采购元器件并焊接出来的实物成品如下图4-1所示。
图4-1 焊接后的实物展示图
智能门锁的实体呈现出高度的模块化，将系统的各个模块融合成一个整体。软件部分也采取了类似的策略，将每个程序合并后烧写到开发板中进行调试。在软件调试阶段，通过每个模块和程序对应的方式来确认每个模块程序的正确与否。在确定了软件和硬件初始化没有问题后，就可以直接使用Keil软件将程序烧录进去。
4.1.1 矩阵密码解锁模块调试
打开系统后进入初始化界面，按任意键进入到密码解锁界面（如下图4-2所示），输入正确密码后（初始密码为123456），进入修改/添加密码界面，用户可以任意添加任何方式的密码；包括添加新的指纹以解锁、添加新的数字密码解锁或者添加新的卡片等解锁方式。在密码解锁界面（如下图4-3所示）输入正确密码后解锁（如下图4-4所示）。
图4-2 录入新的按键密码
图4-3 输入设置好的密码
图4-4 输入正确的密码后开锁
5 结论与展望
本研究旨在设计和实现一款基于单片机的智能门锁系统，该系统具有安全、便捷、易用等特点。首先，根据实际需求，设计了系统的总体架构，介绍并展示了各模块在系统中的实际应用。同时，简单介绍了系统运行的过程，包括解锁、上锁、状态检测等操作。然后选择了适合本系统的单片机型号，针对单片机所适应的软件进行了相应的编程，实现了系统需要的各项功能。系统条件全部达成后，要对系统进行更加全面的测试和调试，包括系统软硬件部分测试、相应速度测试、安全测试等。分析解决测试中发现的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。总之，本文研究设计并实现了一种基于单片机的智能门锁系统，具有较高的安全性和便捷性。
未来，可以通过增加其他传感器和功能模块，提高系统的智能化程度和适应性。同时，本次研究还需要进一步研究如何提高系统的稳定性、可靠性和易用性，以满足不同用户的需求。
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