基于“老式门锁”的智能开锁系统的设计与实现

来源:用户上传      作者:黄贤静 李叶龙 张贵元 王琼 陈鑫

　　摘要：“老式门锁”是经典的机械锁，至今仍被广泛使用，日常中该型锁常用于非防盗模式，该模式仅由斜舌锁定，可通过拉动“斜舌拨动部件”进行开锁。基于此原理，该文针对老式门锁“非防盗模式”设计了智能开锁系统，该系统主要包括辅助开锁装置（该装置的动力机为SG90舵机）pESP8266-NodeMCU模块（作为SG90舵机的驱动器）pAndroid手机（控制器）。通过互联网实现Android手机与ESP8266-NodeMCU模块间的通信，并通过该模块控制舵机，实现Android手机（App） 对辅助开锁装置的远程控制，进而实现远程智能开锁功能。
　　关键词：老式门锁；智能控制；物联网；设计
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2022）28-0080-03
　　老式门锁又称外装锁p铁门锁等，是经典的机械锁，因其价格低廉p结构简单p牢固等特点，至今仍被广泛应用于学生寝室p实验室p工厂宿舍p楼房外门p仓库以及广大农村自建房等场所[1-3]。如图1所示，该型锁主要由锁扣盒p斜舌（含机械控制模块）p圆舌（含机械控制模块）p斜舌拨动部件（又称拉手或锁鼻）p锁体等构成。该型门锁有三种工作模式，即防盗模式p非防盗模式和锁舌隐藏模式。用于防盗模式时由一个斜舌和两个圆舌实现三段锁定，此模式下必须借助钥匙才可实现开关锁（锁门与开门操作）；用于非防盗模式时仅由斜舌锁定，由于斜舌的结构特点，此模式下随手“推”“拉”门即可完成锁门操作，并且可在内部通过拉动斜舌拨动部件或在门外借助钥匙两种方式开锁；锁舌隐藏模式，斜舌及圆舌全部缩回锁体内，斜舌通过拉手锁死旋钮进行锁止，此模式下隐藏了全部锁舌，可自由手动开关门。
　　日常生活中，此种老式门锁常用于上述模式二（非防盗模式），即H由斜舌锁定。此种模式的优点是锁门方便，但也正是因为锁门方便，常会发生不想锁门时因为随手的操作而误锁门，进而需重新用钥匙开门（更有甚者将钥匙忘在房内更为麻烦），这给使用者带来了一定困扰。
　　近年来，随着网络的普及，智能家居开始进入普通家庭，大量智能化的家居产品被推广与使用。目前智能家居方面较注重新产品的设计与研发，而忽略了老式设备的改造与升级[1-6]。由此，本文针对老式门锁进行智能化升级研究，设计了一种智能辅助开锁系统，该系统与老式门锁（非防盗模式）相结合了可实现远程开门功能，有效地解决了上述问题。
　　1 开锁装置设计方案
　　1.1 结构设计
　　老式门锁最常用于模式二（非防盗模式）状态，即仅由斜舌锁门，此种模式下可通过拉动锁舌拨动部件进行开锁。本文即是基于此种工作模式进行设计。如图2～图3所示，该装置主要包括壳体p吸盘p端盖p牵动绳p舵机p舵机支架p发条架p发条p电池盒p具备网络通讯功能的舵机驱动器等，舵机驱动器安装在壳体端盖上并置于壳体内部。
　　如图2所示。将壳体装有吸盘的一面（底部）借助吸盘吸附门上，壳体内安装有电源、舵机p发条p舵机驱动器等（见图3） ，将发条安装在舵机输出轴上，牵动绳一端与舵机输出轴上的发条连接，发条保证在释放状态下牵动绳得以张紧，另一端与斜舌拨动件（又称拉手或锁鼻）末端相连。具体工作过程为：具备网络通讯功能的舵机驱动器（ESP8266-NodeMCU模块）连接Wi-Fi，智能手机端安装专用App并连接4G或Wi-Fi；打开App按动“开锁键”发出开锁命令，舵机驱动器通过Wi-Fi接收命令并处理信息，在其对应引脚输出信号，该引脚信号驱动舵机轴转动一定角度，舵机轴带动发条转动，发条拉紧，发条拉紧过程带动牵动绳将斜舌拨动件拉回，斜舌拨动件带动斜舌缩回锁体，实现开锁；按动“关锁键”，舵机复位，释放牵动绳，斜舌复位。
　　1.2 拆装方法
　　端盖上设计4个圆孔（称为握孔），在拆装端盖时将3根或4根手指伸入握孔握紧端盖，进而完成拆装动作。端盖拆装方法：首先将舵机驱动器安装于壳体端盖上，并连接舵机及电源（电池盒），然后用三根手指伸入握孔，将端盖上的卡扣卡入壳体上的卡槽内，并旋转将端盖固定于卡槽内。拆开时动作与上述相反。安装完毕后，将壳体通过吸盘吸附于门上，由牵动绳将发条及斜舌拨动部件进行连接即可，牵动绳可根据需要自行决定长度。电源开关口可实现手动开关电源。
　　2 控制系统设计
　　2.1 硬件
　　控制系统硬件主要有Android手机、ESP8266-NodeMCU模块、SG90型舵机等。ESP8266-NodeMCU 模块是由我国乐鑫科技研发的一款开源的物联网开发板，ESP8266是其核心元件，具有联网功能，NodeMCU为开发板名称，用以区分市场上其他基于ESP8266的开发板，该开发板有两排插针分别与ESP8266引脚相连。SG90尺寸为22.5mm×13mm×22.8mm，工作电压为4.8V，工作电压下扭矩为1.6kg/cm，使用温度为0℃～55℃，其体积能够满足设计中的内嵌式需求，经测试，其扭矩可以满足斜舌拨动件的拉动需要。
　　2.2 控制方案
　　以Android手机为控制终端，ESP8266-NodeMCU 模块为驱动器，SG90型舵机为受控端。
　　其具体实现方案如图5所示，以NodeMCU模块作为舵机SG90的驱动器，将NodeMCU模块与室内Wi-Fi进行连接，实现NodeMCU模块与网络服务器间数据互通，用户在Android手机端通过人机界面（App） ，以互联网为媒介，向在线的NodeMCU模块发送指令，NodeMCU依据指令驱动舵机，舵机接到指令后转动一定角度，并通过发条p牵动绳拉动斜舌拨动部件使斜舌缩回锁体内部，进而实现远程开锁。
　　2.3 手机端应用界面开发
　　Android手机是目前最为普及的智能手机，故以此为控制器，并利用Blinker App设计用于开锁控制的App。Blinker App 是搭建人机交互平台的有效工具，通过该工具可快速地将硬件设备接入物联网，进而实现以互联网为媒介来控制设备。非常适合Arduino，以ESP8266为核心的开发板，Raspberry Pi（树莓派）等为核心的智能家居项目的开发。其用户自定义界面如图6所示。

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　　在Blinker中，用户可以根据需要对控制界面进行编辑，首先选择所需的自定义界面，进入到自定义界面之后，依据需要添加按键，并根据开发板程序内部的“数据键名”，定义各按键的键名。当手机端与互联网连接后，使用者只需进入用户界面，点击相应“数据键名”的按键，Blinker App将该数据键名所包含的信息上传至服务器，另一端与互联网连接的NodeMCU开发板读取服务器上变动的按键数据，并运行该数据键名所对应的子程序，通过该子程序的运行实现对硬件的控制。
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　　D6 Blinker用户自定义界面示意图
　　2.4 实物测试
　　依据设计方案制作智能开锁辅助装置（见图7） ，将智能开锁辅助装置安装在学生寝室门上，通过细绳与老式门锁的斜舌拉动部件进行连接，将ESP8266-NodeMCU 模块与寝室内Wi-Fi进行连接通信。Android手机端被使用4G网络，Wi-Fi及蓝牙三种模式进行测试，结果表明，该装置可稳定地实现近远程无线开锁功能。
　　3 结束语
　　本文针对老式门锁“非防盗模式”设计了远程智能开锁系统。主要包括机械装置设计，控制系统设计。采用Android手机作为控制终端，并利用物联网接入工具Blinker App设计了用于控制开锁装置的App，以具有网络连接功能的ESP8266-NodeMCU作为驱动器，实现了对开锁装置的远程控制。该系统实现了对老式门锁的智能化升级，对于普及智能家居理念具有一定现实意义。
　　参考文献：
　　[1] 常国权.基于“互联网+”的智能门锁控制系统设计[J].现代信息科技，2020，4（17）：38-40，43.
　　[2] 李瑞松.基于AT89C51单片机的智能门锁控制系统的设计分析[J].科技创新与应用，2020（27）：91-92.
　　[3] 王志勇.智能门锁控制系统的设计与开发[D].杭州：浙江理工大学，2018.
　　[4] 陈鑫，李叶龙.基于Android移动平台的远程控制系统设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（29）：80-81，84.
　　[5] 周少铧，吕群芳.基于蓝牙的智能门锁控制系统设计[J].数字技术与应用，2016（10）：18.
　　[6] 王永，马运领，马志刚.智能化门锁控制系统的软件设计[J].自动化与仪表，2004，19（5）：63-65.
　　【通联编辑：唐一东】

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