基于STM32设计的动态密码锁

1. 前言

随着人们生活水平的提高及科学技术的发展，个人信息保护显得至关重要，设计了一款智能电子密码锁，以STM32单片机为主控制器,由触摸矩阵键盘、ESP8266、步进电机等模块组成，具有远程控制、随机密码生成等功能。经软硬件测试,系统响应迅速,灵敏度高,实时性好,系统识别准确率高达99%，该系统运行稳定,安全可靠,功耗低及具有较好的扩展性。

当前支持的开锁方式：

（1）手机APP远程开锁。支持手机APP远程开锁。手机APP连接上ESP8266创建的WIFI热点和TCP服务器，可以在手机APP上对设备端的RTC时间进行校准，设备唯一ID获取，生成随机开锁密码。

（2）随机密码开锁。手机APP与本地设备采用时间、作为算法种子，采用算法生成开锁密码，每一串的密码有效时间为一分钟。查看手机APP上显示的密码之后，在本地设备上输入完成密码对比开锁。

2. 相关硬件

2.1 WIFI模块

2.2 步进电机模块

2.3 OLED显示屏

2.4 STM32开发板

2.5 矩阵键盘模块

3. 手机APP设计

3.1 开发环境介绍

上位机软件采用Qt框架设计，Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。简单来说，QT可以很轻松的帮你做带界面的软件，甚至不需要你投入很大精力。

QT官网: https://www.qt.io/

3.2 学习教程

QT入门实战专栏: https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/category_11400392.html

QT5环境安装教程：https://xiaolong.blog.csdn.net/article/details/120654599

下载QT5.12.6下载地址：
https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/

打开链接后选择：

qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details

软件安装时断网安装，否则会提示输入账户。

安装的时候，勾选一个mingw 32编译器即可。

3.3 实现效果

3.4 与服务器通信代码

/*
功能: 连接服务器
*/
void Widget::on_pushButton_connect_clicked()
{
    if(ui->pushButton_connect->text()=="连接"){

        //开始连接服务器
        NewClinet();
    }
    else
    {
        if(LocalTcpClientSocket)
        {
            LocalTcpClientSocket->close();
        }
    }
}


//客户端模式：创建客户端
void Widget::NewClinet()
{
    if(LocalTcpClientSocket)
    {
        LocalTcpClientSocket->close();
        delete  LocalTcpClientSocket;
        LocalTcpClientSocket=nullptr;
    }
    /*1. 创建本地客户端TCP套接字*/
    LocalTcpClientSocket = new QTcpSocket;
    /*2. 设置服务器IP地址*/
    QString Ipaddr=ui->lineEdit_ip->text();
    QHostAddress FarServerAddr(Ipaddr);
    /*3. 连接客户端的信号槽*/
    connect(LocalTcpClientSocket,SIGNAL(connected()),this,SLOT(LocalTcpClientConnectedSlot()));
    connect(LocalTcpClientSocket,SIGNAL(disconnected()),this,SLOT(LocalTcpClientDisconnectedSlot()));
    connect(LocalTcpClientSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(LocalTcpClientReadDtatSlot()));
    /*4. 尝试连接服务器主机*/
    int prot=ui->lineEdit_port->text().toInt();
    LocalTcpClientSocket->connectToHost(FarServerAddr,prot);
}

/*
功能: 时间更新
*/
void Widget::time_update()
{
   QDateTime time = QDateTime::currentDateTime();   //获取系统现在的时间
   QString text;
   text = time.toString("yyyy/MM/dd hh:mm:ss ddd"); //设置显示格式
   ui->label_time->setText(text);

   char Password[10];

   //更新密码
   GeneratePassword(Password,6);

   ui->label_password->setText(Password);
}


//客户端模式：响应连接上服务器之后的操作
void Widget::LocalTcpClientConnectedSlot()
{
    ui->pushButton_connect->setText("断开");
    Log_Text_Display("成功连接服务器...\n");
    ServerConnectStat=1; //标记连接上服务器
}

//客户端模式：断开服务器
void Widget::LocalTcpClientDisconnectedSlot()
{
   ui->pushButton_connect->setText("连接");
   QMessageBox::information(this,"提示","与服务器断开连接...",QMessageBox::Ok);
   Log_Text_Display("与服务器断开连接...\n");
   ServerConnectStat=0; //标记断开服务器
}


//读取服务器发来的数据
//$update,2022/02/22 13:15,2022/02/23 12:17,吃饭,5
void Widget::LocalTcpClientReadDtatSlot()
{
   QByteArray text=LocalTcpClientSocket->readAll();
   QTextCodec *tc = QTextCodec::codecForName("GBK");
   QString array = tc->toUnicode(text);

   qDebug()<<"array:"<<array;

}
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4. STM32设备端代码设计

如果需要完整的项目源码可以去这里下载: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/85895855

4.1 硬件相关原理图

4.2 keil工程

4.3 程序下载配置

4.4 硬件接线

1. 板载ESP8266串口WIFI模块与STM32的串口3相连接。
PB10--RXD 模块接收脚
PB11--TXD 模块发送脚
PB8---CH-PD---悬空
PB9---RST---悬空
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）


2. 触摸按键使用TTP229型号的驱动芯片
SCL接PC11
SDA-OUT接PC10
电源接VCC-3.3
GND接GND

3. ULN2003控制28BYJ-48步进电机接线:

ULN2003接线:
IN4: PC9   d
IN3: PC8   c
IN2: PC7   b
IN1: PC6   a
+  : 5V
-  : GND

4. OLED显示屏
D0----SCK-----PB14
D1----MOSI----PB13
RES—复位(低电平有效)—PB12
DC---数据和命令控制管脚—PB1
CS---片选引脚-----PA7


5. 板载按键
KEY1---PA0 
KEY2---PC13


6.板载LED灯
LED1---PB5
LED2---PB0
LED3---PB1 

7. 板载蜂鸣器
BEEP---PA8
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4.5 设备初始化打印的信息

4.6 main.c 代码

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include 
#include "timer.h"
#include "esp8266.h"
#include "RFID_RC522.h"
#include "motor.h"
#include "oled.h"
#include "rtc.h"
#include  
#include 


char mqtt_message[200];//上报数据缓存区

char SendBuff[10];

//存放矩阵键盘的值
char MatrixKey_var[20];
int MatrixKey_index=0;

//当前显示的页面
u8 page_show_flag=0; //1时钟页面 


/*
函数功能: 绘制时钟表盘框架
*/
void DrawTimeFrame(void)
{
	u8 i;
	OLED_Circle(32,32,31);//画外圆
	OLED_Circle(32,32,1); //画中心圆
	//画刻度
	for(i=0;i<60;i++)
	{
		if(i%5==0)OLED_DrawAngleLine(32,32,6*i,31,3,1);
	}
	OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
}

/*
函数功能: 更新时间框架显示，在RTC中断里调用
*/
char TimeBuff[20];
void Update_FrameShow(void)
{
    //如果正在显示其他提示文字，就不显示时钟
    if(page_show_flag==1)
    {
        return;
    }
        
	/*1. 绘制秒针、分针、时针*/
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.sec*6-6-90,27,0);//清除之前的秒针
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.sec*6-90,27,1); //画秒针
	
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.min*6-6-90,24,0);
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.min*6-90,24,1);
	
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.hour*30-6-90,21,0);
	OLED_DrawAngleLine2(32,32,rtc_clock.hour*30-90,21,1);
	
	//绘制电子钟时间
	sprintf(TimeBuff,"%d",rtc_clock.year);
	OLED_ShowString(65,16*0,16,TimeBuff);  //年份字符串
	OLED_ShowChineseFont(66+32,16*0,16,4); //显示年
	
	sprintf(TimeBuff,"%d/%d",rtc_clock.mon,rtc_clock.day);
	OLED_ShowString(75,16*1,16,TimeBuff); //月
	
	if(rtc_clock.sec==0)OLED_ShowString(65,16*2,16,"        ");	//清除多余的数据
	sprintf(TimeBuff,"%d:%d:%d",rtc_clock.hour,rtc_clock.min,rtc_clock.sec);
	OLED_ShowString(65,16*2,16,TimeBuff); //秒
	
	//显示星期
	OLED_ShowChineseFont(70,16*3,16,5); //星
	OLED_ShowChineseFont(70+16,16*3,16,6); //期
	OLED_ShowChineseFont(70+32,16*3,16,rtc_clock.week+7); //具体的值
}


static unsigned long next=1;//静态全局变量，作为种子

void my_srand(unsigned long seed)//通过传不同的参数更改种子值，一般传time(NULL)
{
    next=seed;
}

int my_rand(void)//将srand更改过的种子值通过公式计算出结果作为随机值
{
    next = next * 1103515245 + 12345;
    return((unsigned)(next/65536) % 32768);
}


//根据时间基准获取6位数随机开锁密码
char pwdcont[] = "0123456789";
void GeneratePassword(char *Password,int pwd_size)
{
	int i;
	int random;

	unsigned int sec=TimeToSec(rtc_clock.year,rtc_clock.mon,rtc_clock.day,rtc_clock.hour,rtc_clock.min);
	//printf("sec=%d\r\n", sec);

	//获取时间种子
	my_srand(sec);

	for (i = 0; i < pwd_size; i++)
	{
		random = my_rand() % (strlen(pwdcont));
		*(Password + i) = pwdcont[random];
	}
	*(Password + i) = '\0';
}




int main()
{
    u8 esp8266_state=0;
    u8 key;
    u8 i;
    u32 time_cnt=0;
    u8 MatrixKey=0; //矩阵键盘值
    u32 page_display=0; //页面显示时间刷新
    char Password[10];
    LED_Init();
    KEY_Init();
    USART1_Init(115200);
    RC522_Init();		 //RC522 
    Moto_Init();  //步进电机初始化
    BEEP_Init();
    USART3_Init(115200);//串口-WIFI
    TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
    Touch_Configuration(); //触摸按键配置
    
    //OLED初始化
    OLED_Init(0xc8,0xa1); //OLED显示屏初始化--正常显示;
   

    USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\r\n");
    
    //清屏
    OLED_Clear(0);
    OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
    OLED_ShowString(0,0,16,"init esp8266.");
     
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        if(ESP8266_Init()==0)
        {
            esp8266_state=1;
            OLED_Clear(0);
            OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
            OLED_ShowString(0,0,16,"esp8266 init ok.");
            break;
        }
        else
        {
            esp8266_state=0;
            OLED_Clear(0);
            OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
            OLED_ShowString(0,0,16,"esp8266 init error.");
            USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\n");  
        }
    }
  
     if(esp8266_state)
     {
        printf("ESP8266 WIFI 配置状态:%d\r\n",ESP8266_AP_TCP_Server_Mode("esp8266_xl","12345678",8089));
     }
   
    USART1_Printf("正在初始化RTC实时时钟请稍等.\r\n");
    
    RTC_Init();//RTC初始化，一定要初始化成功 
    OLED_Clear(0x00); 	 //清屏	
    OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
    DrawTimeFrame();  	 //画时钟框架
     
	 while(1)
	 {
        //按键可以测试开锁和关锁
        key=KEY_Scan();
        if(key==1)
        {
            LED1=0;  //亮灯--表示开锁
            time_cnt=0;
            Motorcw_ring(1,300);   //电机正转1圈
            
            page_show_flag=1;
            page_display=0;
            
             //清屏
            OLED_Clear(0);
            OLED_ShowString(0,0,16,"open lock.");
        }
        else if(key==2)
        {
             LED1=1;  //灭灯--表示关锁
             time_cnt=0;
             Motorccw_ring(1,300);  //电机反转1圈

            page_show_flag=1;
            page_display=0;
            //清屏
            OLED_Clear(0);
            OLED_ShowString(0,0,16,"close lock.");            
        } 

        DelayMs(10);
        page_display++;
        time_cnt++;
        if(time_cnt>=50)
        {
             //获取开锁密码
            GeneratePassword(Password,6);
           // printf("Password = %s\r\n", Password);
            
            time_cnt=0;
            LED2=!LED2;
        }
        
        //判断显示时间是否到达，到达之后恢复正常时钟显示页面
        if(page_show_flag==1 && page_display>200)
        {
            page_show_flag=0;
            OLED_Clear(0x00); 	 //清屏	
            OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
            DrawTimeFrame();  	 //画时钟框架
        }
        
        
        //APP开锁方式: 接收WIFI返回的数据
        if(USART3_RX_FLAG)
        {
            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
            
		    printf("UART3收到数据.....\r\n");
            //向串口打印APP返回的数据
            for(i=0;i<USART3_RX_CNT;i++)
            {
                USART1_Printf("%c",USART3_RX_BUFFER[i]);
            }
            
            //如果是下发了属性,判断是开锁还是关锁
            if(USART3_RX_CNT>5)
            {
                //使用字符串查找函数
                //开锁
                if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],"open_lock"))
                {
                    LED1=0;  //亮灯--表示开锁
                     
                    //开锁
                    //执行开锁代码--电机正转
                     Motorcw_ring(1,300);   //电机正转1圈
                     //清屏
                    OLED_Clear(0);
                    OLED_ShowString(0,0,16,"open lock.");    
                    page_show_flag=1;
                    page_display=0;
                }
            }
            char *time;
            /*判断是否收到客户端发来的数据  */
            char *p=strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"+IPD");
            if(p!=NULL) //正常数据格式: +IPD,0,7:LED1_ON    +IPD,0表示第0个客户端   7:LED1_ON表示数据长度与数据
            {
                    /*解析上位机发来的数据*/
                    p=strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,":");
                    if(p!=NULL)
                    {
                            p+=1; //向后偏移1个字节
                            if(*p=='*')  //设置RTC时间
                            {
                                p+=1; //向后偏移,指向正确的时间
                                time=p;
                                int tm_sec;  //秒
                                int tm_min;  //分
                                int tm_hour; //时
                                int tm_mday; //日
                                int tm_mon;  //月
                                int tm_year; //年
                                tm_year=(time[0]-48)*1000+(time[1]-48)*100+(time[2]-48)*10+(time[3]-48)*1;
                                tm_mon=(time[4]-48)*10+(time[5]-48)*1;
                                tm_mday=(time[6]-48)*10+(time[7]-48)*1;
                                tm_hour=(time[8]-48)*10+(time[9]-48)*1;
                                tm_min=(time[10]-48)*10+(time[11]-48)*1;
                                tm_sec=(time[12]-48)*10+(time[13]-48)*1;
                                RTC_SetTime(tm_year,tm_mon,tm_mday,tm_hour,tm_min,tm_sec);
                               printf("RTC时间设置成功:%d-%d-%d %d:%d:%d\r\n",tm_year,tm_mon,tm_mday,tm_hour,tm_min,tm_sec);
                                
                                OLED_Clear(0x00); 	 //清屏	
                                OLED_RefreshGRAM();  //刷新数据到OLED屏幕
                                DrawTimeFrame();  	 //画时钟框架
                            }
                    }
            }
                        
            USART3_RX_CNT=0;
            USART3_RX_FLAG=0;
        }
				
        
        //输入密码开锁
        MatrixKey=Touch_KeyScan();
        if(MatrixKey!=0)
        {
            //最大密码数限制在10以内。超出自动清理
            if(MatrixKey_index>10)MatrixKey_index=0;
            
            //printf("MatrixKey=%d\r\n",MatrixKey);
            //将按键值存放到数组里.只要数字键
            switch(MatrixKey)
            {
              case 1: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=1+48;USART1_Printf("输入:1\r\n");break;
              case 2: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=2+48;USART1_Printf("输入:2\r\n");break;
              case 3: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=3+48;USART1_Printf("输入:3\r\n");break;
              case 5: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=4+48;USART1_Printf("输入:4\r\n");break;
              case 6: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=5+48;USART1_Printf("输入:5\r\n");break;
              case 7: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=6+48;USART1_Printf("输入:6\r\n");break;
              case 9: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=7+48;USART1_Printf("输入:7\r\n");break;
              case 10: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=8+48;USART1_Printf("输入:8\r\n");break;
              case 11: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=9+48;USART1_Printf("输入:9\r\n");break;
              case 14: MatrixKey_var[MatrixKey_index++]=0+48;USART1_Printf("输入:0\r\n");break;
            }
            USART1_Printf("正在输入中:%s\r\n",MatrixKey_var);
         
            //按下#号键表示确认输入
            if(MatrixKey==15)
            {
                MatrixKey_var[MatrixKey_index++]='\0';
                MatrixKey_index=0;
              
                USART1_Printf("输入的密码:%s\r\n",MatrixKey_var);
              
                //开锁密码
                if(strcmp(MatrixKey_var,Password)==0)
                {
                    USART1_Printf("密码正确,开锁成功.\r\n");
                  
                   LED1=0;  //亮灯--表示开锁

                  //执行开锁代码--电机正转
                  Motorcw_ring(1,300);   //电机正转1圈	

                  //清屏
                   OLED_Clear(0);
                   OLED_ShowString(0,0,16,"open lock.");   
                    
                    page_show_flag=1;
                    page_display=0;
                }
                else
                {
                    USART1_Printf("密码错误,开锁失败.\r\n");
                    
                    //清屏
                    OLED_Clear(0);
                    OLED_ShowString(0,0,16,"password error.");   
                    
                    page_show_flag=1;
                    page_display=0;
                }
            }  
            //按下C号键表示清除之前的输入
            else if(MatrixKey==12)
            {
                MatrixKey_index=0;
                USART1_Printf("清除之前输入的密码,等待重新输入.\r\n");
            } 
        }
	 }
}
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