带云端决策的分布式智能门锁系统的设计与实现
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摘 要：文章设计并实现了一个带云端决策的分布式智能门锁系统，硬件部分主要由Arduino mega，Wemos D1、指纹模块、tsl蓝牙模块等器件组成。系统中通过微信小程序或网页端向网关发送指令，网关收到指令后，通过蓝牙与下属级次的多个门锁控制端通信，实现网络方式的门锁开闭。此外，常见指纹、密码等开锁方式也会通过云端分析确定其可信度从而实现决策。测试结果表明，门锁系统工作稳定，使用便利。
关键词：智能门锁;单片机;智能家居;云端决策
目前，市场上出现了各种智能门锁，如与手机GSM通信相结合的智能门锁、蓝牙智能门锁和RFID电子锁等。此类门锁均可能存在各种不稳定因素，而且智能程度都较低。本文设计的一套门禁系统不仅加入了云端决策和机器学习，规避可能存在的风险，真正实现智能化，而且分布式的特点也使其在隐私需求更高的场景中应用更加广泛。
1 硬件设计
1.1 总体设计
智能门锁系统的主体分为电控门锁、网关控制系统、云端决策系统、小程序端或网页端4部分。其中，门锁控制由蓝牙模块、指纹模块构成。Wemos D1与蓝牙模块构成网关，是锁控与服务器之间的媒介。云端决策系统是部署在服务器上的判决程序。
1.2 硬件系统设计
智能门锁系统硬件部分主要由Arduino mega，Wemos D1、指纹模块、BLE蓝牙模块等器件组成。其中，Arduino mega作为锁体主控，起接收指纹信号、接收蓝牙指令、反馈开锁请求等作用。
本智能门锁系统的设计重点在于实现各器件间的无线通信，尤其是网关与多个智能门锁之间的通信。BLE蓝牙模块功耗低，且可一对多连接，从而实现对多个门锁的控制。选择使用Wemos D1作为网关，该开发板成本低，基于ESP8266 WiFi开发板，具备友好开发环境。既可以当网关从服务器拉取数据，又可以作为二级控制中心控制下级控制器，在本文系统中起着交通枢纽的作用。指纹模块具备多级权限管理等特点，适合实现辅助云端决策等功能。
2 软件系统设计
2.1 网关主程序设计
网关程序部分负责拉取服务器数据、与锁控通信、反馈开闭动作。拉取服务器数据后，通过蓝牙发送信息给锁控，由锁控执行相应的操作。
首先对网管系统进行初始化。锁控通过网关从云端请求数据，根据数据决定相关操作。网关在开锁成功时会将数据反馈给服务器，使其保存开锁记录，有利于用户查询以及云端决策的数据分析。
2.2 锁控程序设计
鎖控程序部分负责接收网关传送的指令、判断是否存在外部开锁请求（指纹信号、密码信号），在执行相关操作后将结果反馈给网关，再由网关交予云端分析。
首先对锁控进行初始化，然后根据请求来的数据执行响应，存在外部开锁请求（指纹、密码等）则通过网关将其交与服务器分析。
2.3 云端互联系统
具有一定AI能力的云端互联系统是本文的软件研发重点，也是一大亮点，系统将实现对非关键区域的门禁按人流量或按机器学习记录做自动控制，也可以对管理人员人工设置的关键区域门禁控制策略自动审查、辅助配置。
有关控制平台方面，本文创新性地引入人工智能和机器学习能力，AI将从多个维度对当前鉴权请求的各类特征和外部环境特征综合判断，按权重对当前鉴权请求打分，在身份确认正常（密码正确或卡片正确）的前提下，如分数低于一定阈值，则要求二次鉴权或请求人工远程协助，如分数过低，即使有密码或卡片，也可以直接拒绝开锁。同时机器学习可以补充自身能力，如某用户曾被拒绝，但多次被管理员后台给予放行，通过机器学习人工历史决策，AI可以更加准确地做出决策。
3 系统调试与分析
基于Arduino，Wemos D1的分布式智能门锁系统调试如下。
（1）网关与锁体均通过预留接口5 V供电。网关红色电源LED灯亮起，蓝色指示灯短暂闪烁两次，网关黄灯亮起，蓝牙初始化完成。
（2）网关连接到WiFi，WiFi初始化完成，网关绿灯亮起。打开微信小程序或网页，尝试开闭门锁动作。再改变时间身份等变量，重复尝试。
（3）通过小程序端或者网页端发送指令，网关、锁控响应，改变门锁状态时，根据状态不同，蜂鸣器发出不同声响。
在调试过程中，在有足够权限后，能稳定执行相关操作，若网络状况不佳，及时性会出现略微下降，但能实现基本控制。
4 结语
随着技术的进步与成熟，智能家居已经得到了广泛的使用，而智能门锁作为智能家具中保卫家庭财产安全的存在，其重要性不言而喻。人们隐私意识逐步增强，在未来，分布式智能门锁控制系统在家庭中应用的场景会愈加广泛。其可拓展功能，如虹膜识别、刷脸识别等更加便利的验证手段，也会使其更加受到大众的欢迎与关注，人们生活也会变得更加方便。
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作者简介：肖海峰（1999— ），男，江西赣州人，本科生;研究方向：电子科学与技术，物联网及其应用。
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