摘要

相信你也曾有过忘了带钥匙出门，被锁在门外，又或者是钥匙一大串认不清哪支才是现在需要的。智慧安全光感应锁，是一个全新的开锁系统，透过智慧型手机APP控制手机萤幕光色彩变化，作为开锁的密码，只要开启APP连接蓝牙，将手机靠近锁具上的感测器并照出萤幕光颜色密码，即可开锁。光密码运用颜色光多变及难以量化的特色，同时增加了锁的安全性及创新性，此作品更结合了多组密码供多使用者进出、及个人钥匙管理，达到个人钥匙整合、居家门禁、办公室门禁等需求。

本文分为手机APP软体及锁具两个部分，手机APP透过蓝牙切换设定模式及开锁模式，知道认证码的管理者可以进入设定模式新增、删除密码及修改认证码，一般使用者可以在开锁模式用已经新增的密码开锁。锁具部分则以盛群半导体股份有限公司开发之HT66F2390微控制器为主轴，做接收APP指令、色彩感测器数据分析、光密码存取、判断光密码吻合并启动电控锁的工作，透过APP人性化界面与硬体锁具整合，提供使用者一个简单、便利的使用介面，同时兼具安全及实用性。

1. 前言

1.1创作动机

每天回家要进家门时，都时常忘记先拿钥匙出来，再加上晚上家门口光线不足，以至于要在家门口找钥匙一段时间才能进家门，如果用随身携带的手机取代钥匙，便不会有找不到钥匙的窘境，甚至可以运用在各种交通工具及家庭电器上，整合钥匙在一支手机，就不需要带一大串钥匙出门。

智慧安全光感应锁藉由光不容易被辨识跟量化的特性，增加锁的安全性，与手机结合的同时也增加了便利性，而且现代人手机吋不离身的生活方式，更减少了钥匙弄丢的情形发生。

智慧型手机的便利与普及，带给人们生活许多的娱乐与创新思维，本文透过锁具与手机APP的结合，打破传统对「锁」及「密码」的传统思维，让「锁」更聪明、「钥匙」更简单。

1.2创作目的

智慧安全光感应锁主要目的是希望使用者运用智慧型手机(Smart phone)存取(Access)萤幕光密码，并提供使用者一个友善(Friendly)而简易(Easy)操作的APP介面，打造出一个方便、简单又安全(S?A?F?E)的系统。

在现今社会，窃盗案件层出不穷，而防盗系统便成为生活中重要的一环，「锁」也随着时间有了不同的演变。科技不断在进步，使我们的生活更加便利，但窃盗案件仍然不曾间断，这些都可能危害着人身以及居家安全。为了保障居家安全及防止机密外泄，便成了这次作品的主要目的。

1.3创新与实用性

看着这个五颜六色的世界，色彩缤纷，有象牙白、蓝天蓝、蒂芬妮绿、玫瑰红等等，些微的变化就能造就不同样的视觉感受，在数位显示的时代，颜色更是千变万化的，一个数值的不同，可以呈现出肉眼所不能辨识的差距，利用手机上的颜色萤幕光来作为我们加密与解密的动作，可以提供一个方便的操作，更能增加我们的安全性。

现今科技发达的社会中，人手一机早已是稀松平常的事，也成了现代人不可或缺的必需品。 「手机、钥匙、钱包」，这个在整理外出用品时的小口诀，总是提醒着我们该带这些必需品。而随着科技的进步，钱包的功能也渐渐的被手机的行动支付给取代，因为手机的携带方便，故将钥匙这个生活必需品也可整合到手机APP系统。

这次作品结合了钥匙的功能并增加便利性，也能改善要开门时每一把看起来都一样的疑虑，不用再为找钥匙而烦恼，更不会有回家时发现没带钥匙，被自己的健忘拒之于门外的情况，反而能轻轻松松打开家里大门。

2. 工作原理

2.1工作原理及功能

智慧安全光感应锁利用光的多变及难以辨识、量化的特点增加锁具安全，如图1工作原理图，本文使用蓝牙模组串列传输方式建立手机与锁具间的沟通，利用APP控制锁的增加删除密码模式及开锁模式，并透过TCS3200色彩辨识感测模组侦测手机萤幕所放出的解锁光密码，藉由HT66F2390微控制器分析光的混色比率、RGB的变化、颜色的不同、闪烁的频率，并比对解锁光密码数据，与设定的解锁光密码数据吻合时，才能打开锁具，实现智慧安全光感应锁。

图1 : 工作原理图

2.2作品使用HOLTEK MCU之主要核心功能

@內文:本文以HT66F2390微控制器为主要元件，配合周边元件，如蓝牙传输模组、色彩辨识感测模组等元件，达成手机APP与锁具密码设定之沟通，利用TCS3200色彩辨识感测器撷取手机萤幕所发出之光密码讯号，并输入至微控制器HT66F2390做资料分析处理、辨识及吻合比对，达到智慧安全光感应锁具的功能体现。

3. 作品结构

3.1 硬体架构

本文硬体架构分为四个部分：中央控制系统、色彩辨识感测系统、远距离传输系统、电控锁。中央控制系统使用HT66F2390微控制器为主元件；色彩辨识感测系统使用TCS3200色彩感测模组；远距离传输系统使用HC-05双向串列传输资料；最后使用电控锁控制开启关闭状态。

3.1.1 硬体架构流程

利用蓝牙模组接收手机APP所传出命令，并开启色彩辨识感测模组接收手机萤幕光密码，经由中央处理系统作密码资料的分析处理及判断，若密码吻合即启动电控锁待关闭后自动上锁，如图2硬体架构流程图。

图2 : 硬体架构流程图

3.1.2微处理器

HT66F2390微处理器[1]CPU具有8Mhz、12Mhz、16Mhz三种系统时脉选择，其工作电压分别为2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V，震荡来源形式有HXT、HIRC、LXT、LIRC，内建8Mhz、12Mhz、16Mhz的RC振荡器，并有多元操作模式FAST、SLOW、IDLE、SLEEP，支援长指令，具备省电及唤醒功能。

HT66F2390具有Program Memory 64K×16-Bit，Data Memory 4096×8-Bit，EEPROM Memory 1024×8-Bit，最多支援58支双向I/O脚位，具有4支外部中断输入功能脚位，多个计时模组支援时间计数、比对吻合、PWM功能。

周边功能有串列界面模组SIM，包含SPI、I²C传输，串列周边介面SPIA，两组UART传输，两组时基计时装置，可定时产生中断信号，两组类比比较器，最多支援16个通道、12-bit解析度的A/D转换器，内建MDU乘法器除法器运算单元供开发者使用。

我们使用MCU作为密码分析处理、吻合判断，接收手机指令，控制增加、删除密码及开锁模式功能。运用MCU内部计时模组(STM)及外部中断输入脚位(INT)[2]来做色彩辨识感测模组的数位震荡讯号撷取；使用UART与蓝牙模组做资料传输，让手机APP能透过蓝牙传指令给MCU；使用EEPROM Memory做密码存取避免意外断电使密码消失；使用I/O脚位驱动电控锁。

3.1.3 HC-05蓝牙模组

HC-05蓝牙模组[3]，外观如图3左图，HC-05蓝牙模组外观图，使用CSR (Cambridge Silicon Radio) 公司BC417143晶片，支援蓝牙2.0 +EDR(Enhanced Data Rate)最大资料传输率为3Mbps，蓝牙频率使用2.4GHz，附带直流电压转换之模组底板将工作电压设计至3.6V~6V之间，使用UART介面传输，预设Baud rate为 38400、8Bit资料位元、1Bit停止位元、不使用同位位元，可透过AT指令更改Baud rate为9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800。

HC-05是一个主从一体式蓝牙模组，可以透过AT模式改变为蓝牙传输中的主端，主动连接周边蓝牙设备，亦可做为从端，被动接收蓝牙配对。共有STATE(状态)、Rxd(接收)、 Txd(传送)、GND(接地)、VCC(电源)、EN(AT模式致能)六支接脚，如图3右图，Rxd、Txd为UART介面传输之发送接收接脚；GND、VCC为电源接脚需接工作电压3.6~6V之间，EN接脚配合电源使用，当上电时此脚接高电位则进入AT设定模式，反之则进入蓝牙模式。

图3 : HC-05蓝牙模组外观图

此作品将蓝牙模组设定成从端模式，负责等待手机APP配对，透过UART介面将手机所传送指令传到MCU，MCU亦可借着蓝牙模组回传信息给手机APP，让蓝牙模组达成MCU与手机APP之间信号传输的功能。

3.1.4 电控锁

电控锁又称为电磁锁，如图4电控锁外观图，工作电压为12V，其设计原理其实与电磁铁一样，利用电生磁的原理，当电流通过内部线圈时，便会感应出磁力吸住锁舌后方的铁板，并达到开门的效果。反之，断电则将失去磁力，即会锁门。

图4 : 电控锁外观图

3.1.5 TCS3200色彩辨识感测模组

TCS3200色彩辨识感测模组[4]内部包含光电晶体，及红、绿、蓝三色滤波器，当选择一个颜色滤波器时，他只允许特定的原色光通过，再经由光电晶体得到光强度其讯号为数位振荡讯号，频率低到高代表光强度低到高，达到获取RGB混色比例的功能，如图5功能方块图。

图5 : TCS3200功能方块图

本文使用TCS3200色彩辨识感测模组，图6左图为模组外观图，若测光物体为不发光物体，需开启模组上4颗白光LED做光反射原理，使不发光物体反射颜色光，图6右图为色彩辨识接脚图，透过频率百分比功能选择脚S0、S1，三色滤波器功能选择脚S2、S3及OUT脚输出颜色振荡讯号，可以达到辨识颜色数据的功能，并将数据传送至MCU做分析处理。

图6 : TCS3200色彩辨识模组外观、接脚

S0、S1做为输出频率百分比功能选择脚如附表1，当S0、S1皆为低态，不做输出动作；S0为低态、S1为高态，输出频率百分比为2%；S0为高态、S1为低态，输出频率百分比为20%；S0、S1皆为高态，输出频率百分比为100%。

S2、S3做为红、绿、蓝三色滤波器功能选择脚，如附表2，当S2、S3皆为低态，使用红色滤波器，只让红光通过；S2为低态、S3为高态，使用蓝色滤波器，仅让蓝光通过；S2为高态、S3为低态，不使用滤波器，所有光都可通过，可用来测量光强度；S2、S3皆为高态，选用绿色滤波器，仅让绿色光通过。

3.2 电路设计

蓝牙模组需要将EN接脚接高态再接上5V电源才能进入AT设定模式，蓝牙模组的工作电流约在200mA大于HT66F2390的I/O脚输出电流，所以需要使用电晶体做开关电路，将蓝牙模组与5V电源之间接上电晶体如图7蓝牙模组部分电路图，使MCU能透过I/O接脚PE0控制电晶体开关，间接控制蓝牙模组的电源ON及OFF，让MCU能透过I/O接脚PE1控制蓝牙模组进入AT设定模式。

图7 : 蓝牙模组部分电路图

@內文:电控锁的工作电压为12V且工作电流约为0.7A，与HT66F2390的5V工作电压完全不同，我们透过继电器电路，使MCU I/O接脚PD0透过继电器用5V去控制电控锁的12V电源，如图8电控锁电路图，继电器内部线圈会产生反电动势，透过继电器内部的二极体消除。

图8 : 电控锁部分电路图

@內文:色彩感测器部分，如图9，将S0、S1、S2、S3接至MCU I/O接脚、OUT接至MCU的外部中断脚，使感测器产生的数位讯号可以藉由MCU中断次数来计算。

@內文:MCU内部则使用STM来做时间计算，设定要计数的时间，控制中断功能的开启与关闭，调整要抓取感测器数位振荡讯号的时间。

图9 : 色彩感测器部分电路图

3.3 软体流程

@內文:电源刚开启时，进行初始化设定，设定蓝牙UART传输及感测器模式及功能，透过判断是否收到设定密码命令，当接到设定密码命令时，开启设定模式，感测器抓取手机APP所发出萤幕光密码，MCU储存光密码数据；当接到开锁命令时，感测器抓取手机APP所发出萤幕光密码，MCU判断光密码数据，若与设定之密码吻合，MCU开启门锁；当接到删除密码命令时，MCU传送所有存取的密码，APP使用者选择要删除的密码，MCU删除该组密码，软体流程图，如图10所示。

图10 : 软体流程图

3.4 APP软体流程

@內文:开启APP时可进入管理者设定、设定密码、开锁，三个动作，透过开启蓝牙，与蓝牙模组进行配对及连接；设定密码，使APP进入设定密码流程，输入认证码开启锁具设定模式，进行萤幕光密码传送的双重确认后储存光密码，将密码存入SQLite[5]；当要解锁时，点选APP开锁按钮，将之前记忆的光密码透过萤幕发光，达到开锁功能，APP软体流程图，如图11所示。

图11 : APP软体流程图

4. 测试方法

4.1测试TCS3200色彩感测器

因为TCS3200色彩感测器只能知道红绿蓝三原色光的光强度，所以需透过实验了解手机三原色光的光强度最大值，借此推算手机萤幕光的混色比例，并透过5次实验数据做误差分析，得知感测器量测数据的误差值，在光密码比对时做误差处理，才不会出现同样颜色光，却打不开锁的窘境。

4.1.1 开启测试APP

@內文:开启测试APP，便可以看到红色、绿色、蓝色三个萤幕光测试按钮，按下按钮，即可转换萤幕光颜色，如图12所示。

图12 : 测试APP介面图

4.1.2 测三原色萤幕光RGB数位震荡讯号数值

@內文:量测三原色光转换之数位振荡讯号，即可了解RGB数据之最大值就可推算其他颜色混色比例数值范围，分别测试萤幕亮度100%与萤幕亮度0%的三原色萤幕光，测试在亮度改变而颜色不变的状况下数据的差异。色彩感测器所感测到的RGB数位震荡讯号数值将会传至MCU，并由电脑显示RGB数位震荡讯号数值，如图13，将感测器平贴手机萤幕测量三原色光数位振荡讯号数值。

图13 : 感测红光RGB数位振荡讯号数值图

4.1.3 分析RGB数位震荡讯号数值

为了做出来的光感应锁能够相容市面上所有不同手机，故将三个品牌之手机萤幕光做为测试对象，并将所有RGB数位震荡讯号数值感测之结果绘制成表格，并计算其误差，结果如表3~表8所显示。

透过这次的测量数据，我们得知TCS3200色彩感测模组不只对于颜色，对于萤幕光亮度也有亮度越高，振荡频率越快的特性，所以在APP设计时，要能关闭手机自动亮度，使在设定密码跟开锁时，能有相同亮度作为数值基准。

在100%亮度与0%亮度的比对中可以发现，虽然在0%亮度的误差值乍看之下较小，但

0%亮度的振荡次数太少，让RGB色彩的解析度下降，在要对数值做误差处理及密码安全性的考量下，我们选择固定萤幕光亮度为100%，使数据能够做误差处理，让光密码更安全可靠。

5. 结论

我们将手机的颜色光作为重要的解锁工具，然而它的安全性是根据每支手机萤幕都有它的颜色误差存在，虽然不能完美精准的呈现出其数值，但MCU所读到的值也成为它的唯一性，即使你拥有一样的颜色码也无法破解。我相信颜色光在未来会成为新的辨识方法，或是软硬体在通讯时的新协定。

6. 参考文献

[1] Holtek Semiconductor Inc. HT66F2390,

http://www.holtek.com/documents/10179/116711/HT66F23x0v110.pdf

[2]钟启仁，HT66FXX Flash MCU原理与实务组合语言篇，全华图书股份有限公司，民国99年

[3]HC-05蓝牙模组Datasheet,

http://www.electronicaestudio.com/docs/istd016A.pdf

[4]TCS3200 色彩辨识感测模组Datasheet,

https://ams.com/chi/content/download/250259/976005/file/TCS3200_TCS3210_DS000107_2-00.pdf

[5]王安邦，Android 7.X App开发之钥 使用Java及Android Studio，上奇资讯股份有限公司，民国106年

(本文作者为国立虎尾科技大学光电工程系 林华川教授、胡福安、陈胜君、简资佑、王壹)