一种智能安全无源锁具系统及其开锁方法与流程

本发明属于物联网研究领域，具体涉及一种智能安全无源锁具系统及其开锁方法。

背景技术：

近些年来集成电子技术以及互联网技术的快速发展，促进了锁具行业的整体发展，市场的需求逐渐从传统、可靠性与安全性较低的金属锁向电子锁、电子门禁系统转变。电子锁与电子门禁系统是一种数字化的安全管理系统，我们的日常生活常见的包括电子密码锁、指纹锁、RFID门禁系统等。这些安全管理系统相对于传统的机械锁，摒弃了传统机械锁的一匙对一锁、钥匙复制方便、锁芯结构简单等缺陷，但是这些锁也普遍存在使用环境受限的问题，不是对基础设施建设要求较高，便是需要人员定期检查、维护。例如RFID门禁系统需通过电线供电、通信，这就带来了布线问题，尤其是对于户外、偏远山区等环境，该类门禁系统就无法使用；其次，如电子密码锁，其使用干电池或者可充电电池进行供电，但是如果电池长时间搁置，无人定期检查、更换电池、充电，则会导致电池电量放空，对可充电锂电池造成不可恢复的损伤，而干电池则可能会漏液，导致电路板损坏；再者，现在许多的电子锁可以使用外接电源的方式，通过USB接口或者电源适配器供电，但由于电源接口暴露，在空气湿度较大的条件下，如海边，极易出现锈蚀、损坏的问题。具有较大发展前景的无源锁具可在一定程度上解决上述问题，但目前的无源锁具普遍存在着安全性能不足的缺陷，如无源锁具往往利用内置存储芯片，记录现场无源锁具操作信息，芯片内可保存特定时间段内操作的任何信息，该芯片可能被非法利用、复制等，存在安全隐患，且不便于实时查看操作信息，不便监控。此外，目前的无源锁具的密码一般是记录在电子钥匙中的，有被复制或者破解的风险，安全系数较低。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种对使用环境要求较低、且对开锁人员身份、权限提供安全可靠的实时在线确认的无源锁具系统及其开锁方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种智能安全无源锁具系统，包括后台管理服务器，存储用户ID、用户指纹信息、锁具ID、锁具位置以及开锁、关锁记录和报警信息、维护人员信息等，并可用于验证用户登录信息的合法性，当判断结果为合法时，则通过无线方式向无源锁具发送授权开锁指令；

蓝牙钥匙，包括第一单片机、电源、第一蓝牙模块、指纹识别模块和无线电能发射模块，所述无线电能发射模块包括高频逆变模块和原边线圈，高频逆变模块用于将电源的直流电转换为高频交流电；所述蓝牙钥匙可从后台管理服务器中预先下载用户指纹信息、用户ID和锁具识别码信息；

无源锁具，包括第二单片机，内部存储锁具识别码和唯一的锁具ID，以及与第二单片机相连的第二蓝牙模块、GPRS通信模块和无线电能接收模块，所述无线电能接收模块包括与原边线圈相配合的副边线圈，所述原边线圈和副边线圈通过电磁感应原理实现电能的无线传输，副边线圈所产生的交流电通过整流电路和稳压电路转换为稳定直流电后为第二单片机供电；

所述第二单片机上电工作后，控制第二蓝牙通讯模块开始工作，向周围发射蓝牙信号，第一蓝牙通信模块可自动搜索附近无源锁具的蓝牙信号，用户选择所要连接的蓝牙信号，连接成功后，蓝牙钥匙发送获取锁具ID的请求，若蓝牙钥匙所获取的锁具ID与蓝牙钥匙内部预存的锁具ID一致，则蓝牙钥匙提示用户录入指纹信息；第一单片机通过指纹识别模块获取用户指纹信息，将新录入的用户指纹信息与蓝牙钥匙内部预存的用户指纹信息进行核对，若信息一致，则将用户ID发送至无源锁具；无源锁具接收到用户ID后通过GPRS通信模块连接后台管理服务器，核对当前用户的开锁权限，当该用户具有开锁权限时，则向无源锁具发出开锁指令，将锁具打开，同时上传开锁记录至后台管理服务器。

进一步的，所述蓝牙钥匙内部设有加密程序，所述无源锁具内部设有与蓝牙钥匙内部的加密程序相配合的解密程序，蓝牙钥匙将用户ID经过加密程序处理后发送至无源锁具，无源锁具接收到用户ID后经过解密程序进行解密后，再通过GPRS通信模块连接后台管理服务器，进行权限核对。

进一步的，所述高频逆变模块包括相互连接的高频PWM发生器和MOS管驱动电路，所述高频PWM发生器与电源和第一单片机相连，所述MOS管驱动电路与原边线圈相连接。

进一步的，所述后台管理服务器与智能手机、电脑、IPAD等智能终端无线连接，所述智能终端内设置有与无源锁具系统相配套的APP，可实时查看开锁、关锁记录，查看开锁权限，提交开锁申请等。

本发明还提供一种智能安全无源锁具系统的开锁方法，包括以下步骤：

S1：开启蓝牙钥匙，第一单片机上电工作，无线电能发射模块和第一蓝牙模块进入工作状态，通过原边线圈和副边线圈的电磁感应作用完成电能的无线传输，无源锁具内第二单片机上电工作，并启动第二蓝牙模块，第二蓝牙模块主动与第一蓝牙模块配对连接；

S2：蓝牙钥匙与无源锁具无线连接成功之后，无源锁具返回确认用户身份请求，此时蓝牙钥匙的指纹识别模块开始工作，并提示用户录入指纹；

S3：蓝牙钥匙通过指纹识别模块获取用户指纹信息，并验证所获取用户指纹信息与蓝牙钥匙内部预存的用户指纹信息是否匹配，若匹配，则确认用户身份，将蓝牙钥匙内部预存的用户ID发送至无源锁具；若不匹配，则向无源锁具发送用户ID不匹配的报警信息，并通过GPRS通信模块向后台管理服务器上传错误开锁信息；

S4：无源锁具接收到蓝牙钥匙所传输的用户ID之后，通过GPRS通信模块连接后台管理服务器，核对当前用户是否具有开锁权限，若该用户具有开锁权限，则开锁，并储存开锁记录；若该用户无开锁权限，则不开锁，并上传错误开锁信息；

S5：当用户无法开锁时，可通过APP实时提交开锁申请；一旦管理员将确认其开锁申请后，用户则可以在有效期限内打开无源锁具。

进一步的，所述步骤S3中还包括数据加密步骤：蓝牙钥匙内部预存的用户ID经过加密程序处理后发送至无源锁具，所述无源锁具经过解密程序对用户ID解密后再连接后台管理服务器，验证用户ID。

进一步的，还包括关锁检测步骤：在设定时间内无源锁具未检测到用户的关锁操作，则无源锁具同时向蓝牙钥匙和智能终端发出警报信息，并通过GPRS通信模块上传至后台管理服务器。

进一步的，还包括蓝牙钥匙内置电源电量检测步骤，开机时蓝牙钥匙自动检测内置电源电压，若电源电压低于预设工作电压，则发出警报信息，提示进入充电模式；若电源电压高于预设工作电压，则进入步骤S1。

进一步的，还包括授权申请和用户信息获取步骤：用户通过智能终端登陆数据库管理系统，提交开锁权限及授权时间的申请；管理员通过管理平台对用户的授权申请进行确认后，用户可下载用户指纹信息、用户ID和锁具ID到蓝牙钥匙中；所述数据库管理系统和管理平台均与后台管理服务器相连接。

本发明的有益效果如下：

1.本发明每一次的开锁过程均需要首先通过蓝牙钥匙录入指纹信息，只有当录入的指纹信息与蓝牙钥匙内部预存的用户指纹信息相匹配时，蓝牙钥匙才将其内部预存的用户ID发送至无源锁具，无源锁具通过GPRS通信模块连接后台管理服务器，核对当前用户的开锁权限，当该用户具有开锁权限时，才发出开锁指令。由此可见，本发明的开锁过程需通过用户指纹和用户ID的双重验证，且开锁时实时与后台管理服务器内存储的最新用户ID信息进行核对，使得本发明的安全性能大大提高。

2.本发明每次开锁时均需要开锁权限进行实时在线确认，将无源锁具所接收的用户ID信息与后台管理服务器内存储的最新用户ID信息进行核对，并实时上传开锁记录，可有效避免传统锁具系统中将用户ID信息预存在锁具或者钥匙中，当用户信息发生更改时预存信息不能实时随之更改所带来的安全隐患。

3.本发明无源锁具和蓝牙钥匙之间通过无线传输信息时，所有数据均经过加密技术处理，有效保证了信息传递的安全性。

4.本发明所述无源锁具系统的操作记录、开锁权限、开锁申请均可通过智能终端如智能手机等进行实时查询与操作，方便实时监控，且保证了用户使用的便捷性。

5.本发明无源锁具可密封在壳体中，该壳体可采用塑料材质等，大大提高了本发明无源锁具的耐腐蚀性，扩大了使用范围，且无需工作人员经常性的维护。

附图说明

图1为本发明中智能安全无源锁具系统的原理框图；

图2为本发明原边线圈和副边线圈作用原理示意图；

图3为本发明开锁方法流程示意图；

图4为本发明开锁权限申请流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体说明。

如图1所示，本发明提供的一种智能安全无源锁具系统，包括后台管理服务器、蓝牙钥匙和无源锁具。其中后台管理服务器用于存储用户ID、用户指纹信息、锁具ID、锁具位置，实时确认用户开锁权限以及存储开锁、关锁记录、报警日志等。蓝牙钥匙包括第一单片机以及与第一单片机相连的电源、第一蓝牙模块、指纹识别模块和无线电能发射模块，其中无线电能发射模块包括高频逆变模块和原边线圈，高频逆变模块又包括相互连接的高频脉冲宽度调制（PWM）发生器和MOS管驱动电路（MOS管指金属(Metal)-氧化物(Oxid)-半导体(Semiconductor)场效应晶体管），高频PWM发生器与电源和第一单片机相连，MOS管驱动电路与原边线圈相连接。

本发明无源锁具包括第二单片机以及与第二单片机相连的第二蓝牙模块、GPRS（General Packet Radio Service）通信模块和无线电能接收模块，其中无线电能接收模块包括与原边线圈相配合的副边线圈，副边线圈与整流电路相连后连入第二单片机。

本发明后台管理服务器与智能手机、电脑、IPAD等智能终端无线连接，所述智能终端内设置有与无源锁具系统相配套的APP，可实时查看开锁、关锁记录等，还可用于查询或申请开锁权限。本发明原边线圈和副边线圈基于“电磁感应原理”来完成电能的无线传输，其作用原理图如图2所示。该方法不仅电能传输效率高，且实现方便，经过多年发展，已逐渐进入消费类电子领域，技术较为成熟，安全性、可靠性较高。

此外，为进一步加强本发明信息传递的安全性能，本发明所述蓝牙钥匙内部设有加密程序，无源锁具内部设有与蓝牙钥匙内部的加密程序相配合的解密程序。本发明无需蓝牙钥匙与无源锁具之间的接触，因而可将整个无源锁具封装在一个密封的壳体内，该壳体可采用塑料等材质，使得本发明对外部环境的要求大大降低，可应用于环境较为恶劣的地区，如多雨区、海边、山区等。

如图3和图4所示，本发明所提供的一种智能安全无源锁具系统的开锁方法。首先，本发明在投入使用前应先将锁具信息存储于后台管理服务器中，用户通过智能终端向后台管理服务器发送开锁授权申请，同时录入指纹信息及用户ID信息，管理员对上述信息进行审核，审核通过后授权其开锁权限并明确授权时间。为方便使用，可设计与后台管理服务器相连接的数据库管理系统和管理平台，用户和管理员可在智能终端上安装数据库管理系统和管理平台，用户和管理员均需要以真实身份注册登录。用户获得授权后，可利用智能手机、电脑、IPAD等智能终端登陆数据库管理系统，下载用户指纹信息、用户ID和锁具识别码到蓝牙钥匙中。

用户在使用本发明系统时，需先按下蓝牙钥匙上的电源开关按键，第一单片机对电源电压进行采样测试，若电源电压低于设定的正常工作电压，则开启电源保护电路，提示进入充电程序；若电源电压处于正常工作电压范围内，则进入工作程序。电源开始工作，并开启稳压电路，对高频PWM发生器和第一单片机供电，高频PWM发生器和MOS管驱动电路将直流电转化为高频变化的交流电。此时，用户将蓝牙钥匙贴近无源锁具，当蓝牙钥匙和无源锁具之间的距离小于预设距离时，原边线圈和无源锁具内部的副边线圈发生电磁感应从而实现电能的传输，副边线圈所产生的高频交流电经过整流电路和稳压电路后转化为稳定的直流电，为第二单片机供电。第二单片机上电工作后，控制第二蓝牙通讯模块开始工作，向周围发送蓝牙信号。蓝牙钥匙中的第一单片机控制第一蓝牙通信模块进行工作，搜索附近无源锁具的蓝牙信号，用户通过显示屏和按键选择连接的蓝牙信号。连接成功后，蓝牙钥匙发送获取锁具ID的请求，若蓝牙钥匙所获取的锁具ID与蓝牙钥匙内部预存的锁具ID不一致，则提示蓝牙信号错误，并要求重新连接。若获取到正确的锁具ID后，蓝牙钥匙提示用户录入指纹信息，第一单片机通过指纹识别模块获取用户指纹信息，将新录入的用户指纹信息与蓝牙钥匙内部预存的用户指纹信息进行核对，若不一致，则发送错误报警；如一致，则将用户ID经过加密程序处理后发送至无源锁具。无源锁具接收到用户ID后经过解密程序进行解密，通过GPRS通信模块连接后台管理服务器，核对当前用户的开锁权限，当该用户具有开锁权限时，则发出开锁指令，第二单片机控制电机启动将锁具打开，同时上传开锁记录至后台管理服务器。若当前用户无开锁权限，则发送错误报警，并上传记录。

关锁后，第二单片机检测到锁具关闭后，上传关锁记录。在蓝牙钥匙和无源锁具中均设置有关锁提示程序，在一定时间内，未进行关锁操作，则无源锁具分别同时向蓝牙钥匙和智能终端发出警报信息，及时提醒用户进行关锁，保证安全。用户可通过智能终端设置该提示时间的长度。关锁最长提示时间受限于无源锁具一次充电后所能持续工作的时间，以避免因无源锁具断电所带来的失窃等危险。