基于STM32+華為云IOT實現動態口令密碼鎖
1. 前言
隨機密碼鎖是一種常見的電子鎖系統，它使用數字密碼代替傳統的物理鑰匙來進行身份驗證和門鎖控制。該項目基于STM32微控制器實現一個安全可靠的隨機密碼鎖系統。
傳統的機械鎖存在一些安全和便捷性的問題。鑰匙可能會丟失、被盜或者被復制，這會給用戶帶來安全風險。而且，當需要為多個用戶提供訪問權限時，分發和管理多個物理鑰匙變得復雜。為了解決這些問題，隨機密碼鎖系統應運而生。
隨機密碼鎖系統基于STM32微控制器實現，具備以下特點：
- 高安全性：系統使用數字密碼進行身份驗證，密碼是隨機生成的，并且每次開鎖時會自動更換密碼。這樣可以提高安全性，防止密碼被破解或預測。
- 多用戶支持：系統可以為多個用戶分配不同的訪問權限和密碼。管理員可以輕松添加、刪除或修改用戶信息，并設置其對應權限。
- 多種開鎖方式：除了密碼輸入外，系統還可以支持其他開鎖方式，如指紋識別、刷卡等，增加了便捷性和靈活性。
- 電池供電：系統采用低功耗設計，可以通過電池供電，避免線路布線的限制，適用于不同的門鎖應用場景。
- 報警功能：系統能夠檢測異常操作或入侵，并觸發報警，提高安全性。
當前支持的開鎖方式：
（1）支持手機APP遠程開鎖。通過華為云物聯網平臺實現遠程發送指令開鎖，設備上的ESP8266通過連接家里路由器，在連接華為云物聯網平臺，可以在手機APP上對設備端的RTC時間進行校準，設備唯一ID獲取，生成隨機開鎖密碼，可以點擊APP上的開鎖按鈕，通過物聯網平臺提供的API發送指令給STM32設備完成開鎖。
（2）隨機密碼開鎖。手機APP與本地設備都采用時間、作為算法種子，采用算法生成開鎖密碼，每一串的密碼有效時間為一分鐘。查看手機APP上顯示的密碼之后，在本地設備上輸入完成密碼對比開鎖。 
2. 相關硬件
2.1 WIFI模塊
2.2 步進電機模塊
2.3 OLED顯示屏
2.4 STM32開發板
2.5 矩陣鍵盤模塊
3. 手機APP設計
3.1 開發環境介紹
上位機軟件采用Qt框架設計，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。Qt是一個1991年由Qt Company開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它既可以開發GUI程序，也可用于開發非GUI程序，比如控制臺工具和服務器。簡單來說，QT可以很輕松的幫你做帶界面的軟件，甚至不需要你投入很大精力。
QT官網:https://www.qt.io/
3.2 學習教程
QT入門實戰專欄: https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/category_11400392.html
QT5環境安裝教程：https://xiaolong.blog.csdn.net/article/details/120654599
下載QT5.12.6下載地址： https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/
打開鏈接后選擇：
qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details
軟件安裝時斷網安裝，否則會提示輸入賬戶。
安裝的時候，勾選一個mingw 32編譯器即可。
3.3 實現效果
4. 創建云端設備
4.1 創建設備
登錄官網: https://www.huaweicloud.com/
直接搜索物聯網，打開頁面。
https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html
選擇設備接入:
選擇免費試用：
在產品頁面，點擊右上角創建產品:
填上產品信息:
得到產品ID，保存好ID，點擊查看詳情：
產品ID為：61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1.
點擊設備頁面，注冊設備：
填充信息進行注冊：
保存設備密匙和設備ID，點擊保存關閉會自動下載文件保存，后面生成密碼和登錄賬號需要使用
關閉后就看到創建好的設備了：
點擊產品頁面，選擇剛才創建的產品：
選擇自定義模型---創建數據模型服務：
選擇新增屬性，創建設備的屬性
4.2 創建MQTT登錄賬號和密匙
設備創建完成接來下生成MQTT登錄賬號、密匙，方便設備登錄云端平臺。
官網工具地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
打開剛才創建設備時，下載的密匙文件，把內容復制出來對應的填進去，生成即可。
4.3 拼接主題訂閱與發布的格式
官方文檔介紹: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html
在產品頁面可以，看到主題的全部格式：
幫助文檔：https://support.huaweicloud.com/iothub/index.html
總結的格式如下:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//訂閱主題: 平臺下發消息給設備
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/messages/down
?
?
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//設備上報數據
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/properties/report
?
上屬性的數據格式:
//上報的屬性消息 (一次可以上報多個屬性,在json里增加就行了)
{"services": [{"service_id": "lock","properties":{"門鎖":1}}]}
上面屬性里的服務ID和屬性里的名稱，在設備頁面，影子設備頁面查看。
4.4 MQTT客戶端模擬設備登錄云端
下面使用MQTT客戶端模擬設備登錄服務器測試，看設備創建的是否OK。
服務器的IP地址是: 121.36.42.100
端口號是: 1883
打開MQTT客戶端軟件，按照提示，輸入相關參數后，點擊連接，然后再點擊訂閱主題，發布主題即可:
查看云端服務器的情況: 可以看到設備已經在線了，并且收到上傳的數據。
修改一下鎖的狀態，上報屬性再查看：
發現云端的狀態也已經改變，現在設備上報已經OK。
接下來測試命令下發，實現遠程開鎖關鎖的功能：
打開產品頁面，新增加命令：
命令添加成功:
在設備頁面，選擇同步命令下發：
點擊確定后，查看MQTT客戶端，發現已經收到數據了：
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497/sys/commands/request_id=88e2626f-290d-405e-962d-51554445a8fd{"paras":{"lock":1},"service_id":"lock","command_name":"lock"}
設備端解析收到的數據，就可以完成多步進電機的控制，完成開鎖關鎖。
5. STM32設備端代碼設計
STM32連接華為云IOT的工程代碼Get: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720
5.1 硬件相關原理圖
5.2 程序下載配置
5.3 硬件接線
1. 板載ESP8266串口WIFI模塊與STM32的串口3相連接。
PB10--RXD 模塊接收腳
PB11--TXD 模塊發送腳
PB8---CH-PD---懸空
PB9---RST---懸空
GND---GND 地
VCC---VCC 電源（3.3V~5.0V）
?
?
2. 觸摸按鍵使用TTP229型號的驅動芯片
SCL接PC11
SDA-OUT接PC10
電源接VCC-3.3
GND接GND
?
3. ULN2003控制28BYJ-48步進電機接線:
?
ULN2003接線:
IN4: PC9 d
IN3: PC8 c
IN2: PC7 b
IN1: PC6 a
+ : 5V
- : GND
?
4. OLED顯示屏
D0----SCK-----PB14
D1----MOSI----PB13
RES—復位(低電平有效)—PB12
DC---數據和命令控制管腳—PB1
CS---片選引腳-----PA7
?
?
5. 板載按鍵
KEY1---PA0
KEY2---PC13
?
?
6.板載LED燈
LED1---PB5
LED2---PB0
LED3---PB1
?
7. 板載蜂鳴器
BEEP---PA8
5.4 服務器連接核心代碼
//華為物聯網服務器的設備信息
#define MQTT_ClientID "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510"
#define MQTT_UserName "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497"
#define MQTT_PassWord "385ce91dfe7da5b7431868d5d87e7998163c493344040935d5a00024d6324242"
?
//訂閱與發布的主題
#define SET_TOPIC "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/messages/down" //訂閱
#define POST_TOPIC "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/properties/report" //發布
?
char mqtt_message[200];//上報數據緩存區
?
int main()
{
u32 time_cnt=0;
u32 i;
u8 key;
LED_Init();
BEEP_Init();
KEY_Init();
USART1_Init(115200);
TIMER1_Init(72,20000); //超時時間20ms
USART2_Init(9600);//串口-藍牙
TIMER2_Init(72,20000); //超時時間20ms
USART3_Init(115200);//串口-WIFI
TIMER3_Init(72,20000); //超時時間20ms
USART1_Printf("正在初始化WIFI請稍等.n");
if(ESP8266_Init())
{
USART1_Printf("ESP8266硬件檢測錯誤.n");
}
else
{
//非加密端口
USART1_Printf("WIFI:%dn",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("CMCC-Cqvn","99pu58cb","121.36.42.100",1883,1));
}
//2. MQTT協議初始化
MQTT_Init();
//3. 連接華為服務器
while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
{
USART1_Printf("服務器連接失敗,正在重試...n");
delay_ms(500);
}
USART1_Printf("服務器連接成功.n");
//3. 訂閱主題
if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
{
USART1_Printf("主題訂閱失敗.n");
}
else
{
USART1_Printf("主題訂閱成功.n");
}
..................
..................
...................
}
5.5 隨機密碼生成
#include < stdio.h >
#include < time.h >
#include < stdlib.h >
#include < string.h >
#include < windows.h >
?
char pwdcont[] = "0123456789abcdefghijklmn";
?
char* get_Password(int pwd_size)
{
int i;
int random;
char *Password = (char *)malloc(pwd_size + 1);
?
//獲取時間種子
srand((unsigned)time(NULL));
?
for (i = 0; i < pwd_size; i++)
{
random = rand() % (strlen(pwdcont));
*(Password + i) = pwdcont[random];
}
?
*(Password + i) = '?';
return Password;
}
?
int main()
{
int random;
char *Password;
srand((unsigned)time(NULL));
?
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Sleep(100);
random = rand() % 10;//密碼的長度范圍 （6-63）
printf("random = %dn", random);
Password = get_Password(random);
printf("Password = %sn", Password);
}
free(Password);
return 0;
}
5.6 RTC實時時鐘代碼
#include "rtc.h"
?
//定義RTC標準結構體
struct RTC_CLOCK rtc_clock;
?
/*
函數功能: RTC初始化函數
*/
void RTC_Init(void)
{
if(BKP- >DR1!=0xAB) //表示RTC第一次初始化
{
//1. 備份寄存器時鐘
RCC- >APB1ENR|=1< < 27; //備份時鐘接口
RCC- >APB1ENR|=1< < 28; //電源時鐘接口
PWR- >CR|=1< < 8; //允許寫入RTC和后備寄存器
//2. 配置RTC時鐘源
RCC- >BDCR|=1< < 0; //開啟外部32.768K時鐘
while(!(RCC- >BDCR&1< < 1)){} //等待時鐘就緒
RCC- >BDCR&=~(0x3< < 8); //清空時鐘配置
RCC- >BDCR|=0x1< < 8; //選擇外部32.768K時鐘
//3. 配置RTC核心寄存器
RCC- >BDCR|=1< < 15; //開啟RTC時鐘
while(!(RTC- >CRL&1< < 5)){} //判斷上一次寄存器是否寫完成
RTC- >CRL|=1< < 4; //進入配置模式
RTC- >PRLH=0; //預分頻高位
RTC- >PRLL=0x7FFF; //32767 預分頻低位
RTC- >CNTH=0; //計數器高位
RTC- >CNTL=0; //計數器低位
RTC- >ALRH=0; //鬧鐘寄存器高位
RTC- >ALRL=60; //鬧鐘寄存器低位
RTC- >CRL&=~(1< < 4);//退出配置模式
while(!(RTC- >CRL&1< < 5)){} //判斷上一次寄存器是否寫完成
BKP- >DR1=0xAB; //表示配置成功了
}
?
RTC- >CRH|=1< < 0; //秒中斷
RTC- >CRH|=1< < 1; //鬧鐘中斷
STM32_SetPriority(RTC_IRQn,2,2); //優先級
RTC_SetTime(2022,4,9,0,36,1);
}
?
extern void Update_FrameShow(void);
/*
函數功能: RTC鬧鐘中斷服務函數
*/
void RTC_IRQHandler(void)
{
u32 SecCnt;
if(RTC- >CRL&1< < 0)
{
SecCnt=RTC- >CNTH< < 16;//獲取高位
SecCnt|=RTC- >CNTL; //獲取低位
RTC_GetTime(SecCnt); //轉換標準時間
RTC_GetWeek(SecCnt);
// printf("%d-%d-%d %d:%d:%d week:%dn",rtc_clock.year,rtc_clock.mon,rtc_clock.day,rtc_clock.hour,rtc_clock.min,rtc_clock.sec,rtc_clock.week);
Update_FrameShow(); //更新顯示
RTC- >CRL&=~(1< < 0); //清除秒中斷標志位
}
if(RTC- >CRL&1< < 1)
{
// printf("鬧鐘時間到達!....n");
// BEEP=1;
// DelayMs(500);
// BEEP=0;
RTC- >CRL&=~(1< < 1); //清除鬧鐘中斷標志位
}
}
?
?
?
//閏年的月份
static int mon_r[12]={31,29,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};
//平年的月份
static int mon_p[12]={31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};
?
?
/*
函數功能: 設置RTC時間
函數形參:
u32 year; 2018
u32 mon; 8
u32 day;
u32 hour;
u32 min;
u32 sec;
*/
void RTC_SetTime(u32 year,u32 mon,u32 day,u32 hour,u32 min,u32 sec)
{
u32 i;
u32 SecCnt=0; //總秒數
/*1. 累加已經過去的年份*/
for(i=2017;i< year;i++) //基準年份:20170101000000
{
if(RTC_GetYearState(i))
{
SecCnt+=366*24*60*60; //閏年一年的秒數
}
else
{
SecCnt+=365*24*60*60; //平年一年的秒數
}
}
/*2. 累加過去的月份*/
for(i=0;i< mon-1;i++)
{
if(RTC_GetYearState(year))
{
SecCnt+=mon_r[i]*24*60*60; //閏年一月的秒數
}
else
{
SecCnt+=mon_p[i]*24*60*60; //平年一月的秒數
}
}
/*3. 累加過去的天數*/
SecCnt+=(day-1)*24*60*60;
/*4. 累加過去小時*/
SecCnt+=hour*60*60;
/*5. 累加過去的分鐘*/
SecCnt+=min*60;
/*6. 累加過去的秒*/
SecCnt+=sec;
/*7. 設置RTC時間*/
RCC- >APB1ENR|=1< < 27; //備份時鐘接口
RCC- >APB1ENR|=1< < 28; //電源時鐘接口
PWR- >CR|=1< < 8; //允許寫入RTC和后備寄存器
while(!(RTC- >CRL&1< < 5)){} //判斷上一次寄存器是否寫完成
RTC- >CRL|=1< < 4; //進入配置模式
RTC- >CNTH=SecCnt > >16; //計數器高位
RTC- >CNTL=SecCnt&0xFFFF; //計數器低位
RTC- >CRL&=~(1< < 4);//退出配置模式
while(!(RTC- >CRL&1< < 5)){} //判斷上一次寄存器是否寫完成
}
?
?
/*
函數功能: 獲取RTC時間
函數參數: u32 sec 秒單位時間
*/
void RTC_GetTime(u32 sec)
{
u32 i;
rtc_clock.year=2017; //基準年份
/*1. 計算當前的年份*/
while(1)
{
if(RTC_GetYearState(rtc_clock.year))
{
if(sec >=366*24*60*60) //夠一年
{
sec-=366*24*60*60;
rtc_clock.year++;
}
else break;
}
else
{
if(sec >=365*24*60*60) //夠一年
{
sec-=365*24*60*60;
rtc_clock.year++;
}
else break;
}
}
/*2. 計算當前的月份*/
rtc_clock.mon=1;
for(i=0;i< 12;i++)
{
if(RTC_GetYearState(rtc_clock.year))
{
if(sec >=mon_r[i]*24*60*60)
{
sec-=mon_r[i]*24*60*60;
rtc_clock.mon++;
}
else break;
}
else
{
if(sec >=mon_p[i]*24*60*60)
{
sec-=mon_p[i]*24*60*60;
rtc_clock.mon++;
}
else break;
}
}
/*3. 計算當前的天數*/
rtc_clock.day=1;
while(1)
{
if(sec >=24*60*60)
{
sec-=24*60*60;
rtc_clock.day++;
}
else break;
}
/*4. 計算當前的小時*/
rtc_clock.hour=0;
while(1)
{
if(sec >=60*60)
{
sec-=60*60;
rtc_clock.hour++;
}
else break;
}
/*5. 計算當前的分鐘*/
rtc_clock.min=0;
while(1)
{
if(sec >=60)
{
sec-=60;
rtc_clock.min++;
}
else break;
}
/*6. 計算當前的秒*/
rtc_clock.sec=sec;
}
?
?
/*
函數功能: 判斷年份是否是平年、閏年
返回值 : 0表示平年 1表示閏年
*/
u8 RTC_GetYearState(u32 year)
{
if((year%4==0&&year%100!=0)||year%400==0)
{
return 1;
}
return 0;
}
?
?
/*
函數功能: 獲取星期
*/
void RTC_GetWeek(u32 sec)
{
u32 day1=sec/(60*60*24); //將秒單位時間轉為天數
switch(day1%7)
{
case 0:
rtc_clock.week=0;
break;
case 1:
rtc_clock.week=1;
break;
case 2:
rtc_clock.week=2;
break;
case 3:
rtc_clock.week=3;
break;
case 4:
rtc_clock.week=4;
break;
case 5:
rtc_clock.week=5;
break;
case 6:
rtc_clock.week=6;
break;
}
}
?
/*
將標準時間轉為秒單位時間
思路: 全程加法
時間基準點: 1970年1月1日0時0分0秒
返回值: 得到的秒單位時間
*/
unsigned int TimeToSec(int year, int mon, int mdeay, int hour, int min)
{
int i;
int sec_cnt = 0; //記錄秒單位的時間
/*1. 轉換年*/
for (i = 1970; i < year; i++)
{
if (RTC_GetYearState(i)) //閏年
{
sec_cnt += 366 * 24 * 60 * 60;
}
else
{
sec_cnt += 365 * 24 * 60 * 60;
}
}
?
/*2. 轉換月*/
for (i = 0; i < mon - 1; i++)
{
if (RTC_GetYearState(year)) //閏年
{
sec_cnt += mon_r[i] * 24 * 60 * 60;
}
else
{
sec_cnt += mon_p[i] * 24 * 60 * 60;
}
}
?
/*3. 轉換天數*/
sec_cnt += (mdeay - 1) * 24 * 60 * 60;
?
/*4. 轉換小時*/
sec_cnt += hour * 60 * 60;
?
/*5. 轉換分鐘*/
sec_cnt += min * 60;
return sec_cnt;
}
?
審核編輯 黃宇
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