1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着信息化技术的快速发展，我国锁具经历了从挂锁、执手锁、抽斗锁等传统机械锁向密码锁、指纹锁等多用途的智能锁的发展历程，更好的为人民的生命财产安全提供了保障。据网上数据统计显示，目前我国仍有超过 60%~70%的家庭采用以弹子锁芯设计的机械锁[1]，这种锁具的结构和原理相对比较简单，具备一些开锁技能的人可以轻松的将其打开，熟练的人往往只需要几秒钟便可以开启，这给老百姓的隐私和财产安全带来了极大的隐患。伴随着人们对于隐私安全和财产保护意识的提高，传统机械锁的安全性能已经得不到保障，与此同时，人们还会存在着遗忘、丢失钥匙等情形，导致人们无法开锁进入家门，给人们的日常生活带来了很大的不便，因此急需设计一种智能化程度高、安全性能好的智能锁，为人们解决机械锁所带来的不便。
智能锁是应用电子技术将微控制器、人机交互设备、电子锁具等结合于一体来实现的一种电子式的智能安全锁具。其通常应用于对安全要求高的环境中，比如各大银行的网点、政府部门中的反恐和反间谍机构、高档酒店、大公司中保存有商业机密的部门和配备有智能家居设施的居民小区[2]。目前，共享概念的兴起以及共享单车等项目的日常化落地运营，也为智能锁提供了更普遍的应用场景[3]。去钥匙化是智能锁的最大特点，它与传统的机械锁相比，最大的优点就是不需要借助钥匙等外物便可以完成解锁和上锁的功能。智能锁的种类有很多，比如数字密码锁、指纹锁、人脸识别锁等，它们可通过数字密码或者采取人的特征的方式对智能锁进行控制，可以实现专人专用的目的。以指纹锁为例，它与数字密码锁相比，安全系数更高，且省去了密码输入的复杂环节（更多时候，指纹采集仍配合数字密码键盘一起使用），它配置有最新的光学传感器，可用于指纹数据的快速采集，由单片机对指纹信息进行匹配和验证来控制电子锁完成开锁和上锁的功能[4]。
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1.2 国内外研究现状
当前有不少的学者对智能锁系统进行了相关的研究，其中，关于智能锁系统的研究主要分为两个方面：
1、智能锁系统的设计；
在智能锁系统设计方面，研究方案多以“智能锁+无线”的方式出现，如文献[8]，中，采用基于 433MHz 和 WiFi 技术设计了一款无线智能锁系统；而文献[9]则利用另一种物联网无线技术 ZigBee 作为智能锁系统的数据传输通道从而实现远程控制功能；文献[10]采用基于蓝牙的无线传输技术设计的智能锁系统，且将其应用到地下停车场的智能锁系统中；此外，文献[5]的方案更为新颖，其使用 NB-IoT 作为远程控制通道，通过使用运营商提供的基站服务作为中介，从而实现更低的部署成本以及较高的开发效率。可以看出，智能锁系统的设计主要在于研究系统实现的相关技术，决定采用何种技术并应用到相应的场景中。
通过阅读文献发现，在智能锁系统的设计中，除了通信方式，开锁方法、识别手段、系统平台的选择等都是智能锁系统中较为关键的影响因素。物联网技术催生的设备“上云”热潮，为系统平台的诞生提供了前提条件。当前，在“智能锁+系统平台”的研究中，多以“智能锁+微信”的方式出现。如文献[7]和文献[11]，通过基于微信平台的系统方案设计，实现了更加便捷的智能锁系统管理。文献[12]同样采用基于微信平台的方案，且作者选择公寓智能门锁作为其落地场景，这是智能锁系统平台的研究方向之一，具有较好的应用前景。
智能锁系统的设计为智能锁提供了实现方案基础，而另一方面的研究——智能锁系统的安全性研究，则为智能锁系统提供了落地的防控保障。
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2 系统相关技术概述
2.1 低功耗
由于智能锁系统中的智能锁作为一个独立的核心部件，所以其对独立电源以及低功耗要求甚高。系统的设计目标是常规电源必须能够在智能锁系统中工作数月或者数年之久，所以，低功耗成为一项硬指标，是智能锁部件不可或缺的[24]。
对于“上云”的智能锁设备而言，其核心耗电指标主要依赖于无线收发元件的耗电，因此无线收发设备是本文低功耗性能指标的主要参考之一。通过技术选型以及各项技术指标对比，综合考虑之后选择了 RF433 作为系统的核心收发部件。
通常情况下，433MHz 无线收发模组都是使用高频射频进行工作的，因此在行业内它又被常常称作 RF433 微型收发信机[8]。RF433 往往是通过 ATMEL 的 AVR 单片机和数字化的单 IC 射频前端两大部分共同构成，能够高效且迅速地传输信息，并且能够对这些无线传输的信息进行实施检测、纠错以及打包处置。相较于现阶段常用的Zigbee、WiFi 而言，RF433 透传模块具有传输稳定、信号穿透强等特点，可以辐射更广阔的区域，但是它的缺点也是非常明显的，它的信息传输速率相当缓慢，跟现阶段通常使用的 Zigbee、WiFi 相比简直就是天壤之别，这个缺点也决定了 RF433 只能应用在信息传输量不高的场所。如表 2-1 为 RF433 为代表的 433MHz 频段与 WiFi 等为代表的 2.4GHz 频段的特性对照表。
表 2-1 频段特性对照表
2.2 MQTT 物联网协议
MQTT，即消息队列遥测传输，是一种实用、高效的信息传输协议[29][30]。有如下两个特点：
1、发布/订阅模式[30]，订阅模式原理如图 2-1 所示，发布者无需关心订阅者，两者之间通过 Broker 来进行关联，从而实现相关主题的传送。
2、“轻量级”[30]，对于嵌入式设备来说，HTTP 是极其复杂且消耗资源的，MQTT集 HTTP 的优点，精简数据协议格式，从而实现轻量级的目标。
图 2-1 MQTT 原理图
MQTT 的消息推送依赖于主题。在推送以前，无需提供相应的主题，只需在推送时指定某一主题就行。
MQTT 设置了两大对象：用户端和推送服务器。其中推送服务器是整个通信系统的重中之重，能够连接数个用户端，而用户端就是架构内部消息的制造者和接纳者：1.用户端借助 subscribe 向推送服务器表明自己喜欢哪一主题的消息；2.某一用户端借助 publish 向推送服务器上的某一主题推送消息；3.推送服务器就把这些消息转发至对这一主题感兴趣的用户端。
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3 智能锁系统总体方案设计与关键技术研究..................................12
3.1 系统需求分析与平台选择.........................................12
3.1.1 系统功能性需求.................................... 12
3.1.2 云平台的分析与选择............................... 12
4 智能锁系统设计与实现.......................................26
4.1 智能锁硬件设计与实现..............................26
4.1.1 硬件电路总体设计................................. 26
4.1.2 MCU 及相关外围接口设计................................ 26
5 系统功能测试...................................50
5.1 系统环境配置.......................................50
5.1.1 微信公众号配置......................................... 50
5.1.2 用户配置.................................. 50
5 系统功能测试
5.1 系统环境配置
5.1.1 微信公众号配置
由于每个 kulock 智能锁都具有一个全球唯一的二维码序列号，这些设备的序列号信息在出厂时，就会被预先保存在网络服务器的数据库内，当用户使用时通过微信公众平台向网络服务器发起绑定请求时，即可完成对 KUC 智能锁的访问。这些相应的操作反馈等都可以由维护者到后台配置管理生效，包括前端回复消息的设置、菜单设置、统计用户信息、投放广告（如放在回复信息内、叠加在图片上，并能指定投放的目标用户群）等。
通过在微信公众平台后台进行配置，当用户以绑定用户身份通过微信进行操作时，它可以
1、实时接收到开门的消息（文字和图片），包含门锁名称、日期时间、用户名称（门锁上建立的用户）、开门方式（指纹/密码/手机/钥匙）；对于手机开门的用户，用户名称使用对应的微信号。
2、查询开门的历史纪录。
3、实时接收到门锁的告警通知，如电量不足、被撬
4、远程开门（接收、输入动态校验码）。
5、授权其他人能够实时接收到开门的消息、查询历史记录。
6、为 KUC 设置 WiFi 连接路由器。
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6 总结与展望
6.1 总结
随着物联网技术的快速发展，其相关的应用场景也正在逐步展开。作为互联网的一个重要延伸，它的出现推动了第四次信息化革命浪潮的发展，未来物联网技术的应用将变得让人充满期待，尤其是在 5G 技术的推动下，很多过去只能够出现在电影中的场景也将进入到人们的现实生活中。总的来说，智能家居是一个重要的缩影，而智能锁作为智能家居系统架构的一个重要组成部分，它在保护用户隐私安全和预防财物丢失方面具有极其重要的意义。本文通过对智能锁的应用背景、研究现状等内容进行分析，并在智能锁的基础上增加基于微信控制的智能锁的研究。本文所做的工作主要如下：
1、分析了智能锁的国内外研究现状和研究背景，传统的机械锁已经难以满足当前的发展需要，市面上出现了一些新型的智能锁，比如指纹锁、数字密码锁、远程遥控锁等，它与传统的机械锁相比，具有安全系数高、使用便捷、可靠性强的特点，逐渐的受到了人们的关注，越来越多的家庭也开始转变观念使用智能锁。
2、本课题结合智能锁来进行扩展，通过基于微信公众号平台实现对远程智能锁进行开/关锁控制、权限管理及现场实时监控，结合要实现的目标来完成系统软硬件架构和通信框架之间的设计，并对系统涉及到的相关软硬件进行选型和比较，完成软件服务器和数据库的设计与搭建，同时完成硬件端整体部分的设计和实现。
3、为解决设备“上云”带来的固有安全防控压力，应用了基于 AES 算法及其改进算法对传输数据包进行了加解密，防止通讯数据被窃取导致的系统安全隐患。
4、结合前面的研究内容和相关准备工作，完成智能锁系统的开发，并对系统相关的各个功能的实现进行测试。测试系统功能的实现是否符合预期，并对测试过程中存在的问题进行记录和修改，完成对系统的优化和调整，保证系统的整体设计达到预期。
参考文献（略）