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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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