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智慧安全光感應鎖
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 共同執筆】   2018年02月09日 星期五

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摘要

相信你也曾有過忘了帶鑰匙出門,被鎖在門外,又或者是鑰匙一大串認不清哪支才是現在需要的。智慧安全光感應鎖,是一個全新的開鎖系統,透過智慧型手機APP控制手機螢幕光色彩變化,作為開鎖的密碼,只要開啟APP連接藍牙,將手機靠近鎖具上的感測器並照出螢幕光顏色密碼,即可開鎖。光密碼運用顏色光多變及難以量化的特色,同時增加了鎖的安全性及創新性,此作品更結合了多組密碼供多使用者進出、及個人鑰匙管理,達到個人鑰匙整合、居家門禁、辦公室門禁等需求。


本文分為手機APP軟體及鎖具兩個部分,手機APP透過藍牙切換設定模式及開鎖模式,知道認證碼的管理者可以進入設定模式新增、刪除密碼及修改認證碼,一般使用者可以在開鎖模式用已經新增的密碼開鎖。鎖具部分則以盛群半導體股份有限公司開發之HT66F2390微控制器為主軸,做接收APP指令、色彩感測器數據分析、光密碼存取、判斷光密碼吻合並啟動電控鎖的工作,透過APP人性化界面與硬體鎖具整合,提供使用者一個簡單、便利的使用介面,同時兼具安全及實用性。


1. 前言

1.1創作動機

每天回家要進家門時,都時常忘記先拿鑰匙出來,再加上晚上家門口光線不足,以至於要在家門口找鑰匙一段時間才能進家門,如果用隨身攜帶的手機取代鑰匙,便不會有找不到鑰匙的窘境,甚至可以運用在各種交通工具及家庭電器上,整合鑰匙在一支手機,就不需要帶一大串鑰匙出門。


智慧安全光感應鎖藉由光不容易被辨識跟量化的特性,增加鎖的安全性,與手機結合的同時也增加了便利性,而且現代人手機吋不離身的生活方式,更減少了鑰匙弄丟的情形發生。


智慧型手機的便利與普及,帶給人們生活許多的娛樂與創新思維,本文透過鎖具與手機APP的結合,打破傳統對「鎖」及「密碼」的傳統思維,讓「鎖」更聰明、「鑰匙」更簡單。


1.2創作目的

智慧安全光感應鎖主要目的是希望使用者運用智慧型手機(Smart phone)存取(Access)螢幕光密碼,並提供使用者一個友善(Friendly)而簡易(Easy)操作的APP介面,打造出一個方便、簡單又安全(S?A?F?E)的系統。


在現今社會,竊盜案件層出不窮,而防盜系統便成為生活中重要的一環,「鎖」也隨著時間有了不同的演變。科技不斷在進步,使我們的生活更加便利,但竊盜案件仍然不曾間斷,這些都可能危害著人身以及居家安全。為了保障居家安全及防止機密外洩,便成了這次作品的主要目的。


1.3創新與實用性

看著這個五顏六色的世界,色彩繽紛,有象牙白、藍天藍、蒂芬妮綠、玫瑰紅等等,些微的變化就能造就不同樣的視覺感受,在數位顯示的時代,顏色更是千變萬化的,一個數值的不同,可以呈現出肉眼所不能辨識的差距,利用手機上的顏色螢幕光來作為我們加密與解密的動作,可以提供一個方便的操作,更能增加我們的安全性。


現今科技發達的社會中,人手一機早已是稀鬆平常的事,也成了現代人不可或缺的必需品。「手機、鑰匙、錢包」,這個在整理外出用品時的小口訣,總是提醒著我們該帶這些必需品。而隨著科技的進步,錢包的功能也漸漸的被手機的行動支付給取代,因為手機的攜帶方便,故將鑰匙這個生活必需品也可整合到手機APP系統。


這次作品結合了鑰匙的功能並增加便利性,也能改善要開門時每一把看起來都一樣的疑慮,不用再為找鑰匙而煩惱,更不會有回家時發現沒帶鑰匙,被自己的健忘拒之於門外的情況,反而能輕輕鬆鬆打開家裡大門。


2. 工作原理

2.1工作原理及功能

智慧安全光感應鎖利用光的多變及難以辨識、量化的特點增加鎖具安全,如圖1工作原理圖,本文使用藍牙模組串列傳輸方式建立手機與鎖具間的溝通,利用APP控制鎖的增加刪除密碼模式及開鎖模式,並透過TCS3200色彩辨識感測模組偵測手機螢幕所放出的解鎖光密碼,藉由HT66F2390微控制器分析光的混色比率、RGB的變化、顏色的不同、閃爍的頻率,並比對解鎖光密碼數據,與設定的解鎖光密碼數據吻合時,才能打開鎖具,實現智慧安全光感應鎖。



圖1 : 工作原理圖
圖1 : 工作原理圖

2.2作品使用HOLTEK MCU之主要核心功能

@內文:本文以HT66F2390微控制器為主要元件,配合周邊元件,如藍牙傳輸模組、色彩辨識感測模組等元件,達成手機APP與鎖具密碼設定之溝通,利用TCS3200色彩辨識感測器擷取手機螢幕所發出之光密碼訊號,並輸入至微控制器HT66F2390做資料分析處理、辨識及吻合比對,達到智慧安全光感應鎖具的功能體現。


3. 作品結構

3.1 硬體架構

本文硬體架構分為四個部分:中央控制系統、色彩辨識感測系統、遠距離傳輸系統、電控鎖。中央控制系統使用HT66F2390微控制器為主元件;色彩辨識感測系統使用TCS3200色彩感測模組;遠距離傳輸系統使用HC-05雙向串列傳輸資料;最後使用電控鎖控制開啟關閉狀態。


3.1.1 硬體架構流程


利用藍牙模組接收手機APP所傳出命令,並開啟色彩辨識感測模組接收手機螢幕光密碼,經由中央處理系統作密碼資料的分析處理及判斷,若密碼吻合即啟動電控鎖待關閉後自動上鎖,如圖2硬體架構流程圖。


圖2 : 硬體架構流程圖
圖2 : 硬體架構流程圖

3.1.2微處理器


HT66F2390微處理器[1]CPU具有8Mhz、12Mhz、16Mhz三種系統時脈選擇,其工作電壓分別為2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V,震盪來源形式有HXT、HIRC、LXT、LIRC,內建8Mhz、12Mhz、16Mhz的RC振盪器,並有多元操作模式FAST、SLOW、IDLE、SLEEP,支援長指令,具備省電及喚醒功能。


HT66F2390具有Program Memory 64K×16-Bit,Data Memory 4096×8-Bit,EEPROM Memory 1024×8-Bit,最多支援58支雙向I/O腳位,具有4支外部中斷輸入功能腳位,多個計時模組支援時間計數、比對吻合、PWM功能。


周邊功能有串列界面模組SIM,包含SPI、I2C傳輸,串列周邊介面SPIA,兩組UART傳輸,兩組時基計時裝置,可定時產生中斷信號,兩組類比比較器,最多支援16個通道、12-bit解析度的A/D轉換器,內建MDU乘法器除法器運算單元供開發者使用。


我們使用MCU作為密碼分析處理、吻合判斷,接收手機指令,控制增加、刪除密碼及開鎖模式功能。運用MCU內部計時模組(STM)及外部中斷輸入腳位(INT)[2]來做色彩辨識感測模組的數位震盪訊號擷取;使用UART與藍牙模組做資料傳輸,讓手機APP能透過藍牙傳指令給MCU;使用EEPROM Memory做密碼存取避免意外斷電使密碼消失;使用I/O腳位驅動電控鎖。


3.1.3 HC-05藍牙模組


HC-05藍牙模組[3],外觀如圖3左圖,HC-05藍牙模組外觀圖,使用CSR (Cambridge Silicon Radio) 公司BC417143晶片,支援藍牙2.0 +EDR(Enhanced Data Rate)最大資料傳輸率為3Mbps,藍牙頻率使用2.4GHz,附帶直流電壓轉換之模組底板將工作電壓設計至3.6V~6V之間,使用UART介面傳輸,預設Baud rate為 38400、8Bit資料位元、1Bit停止位元、不使用同位位元,可透過AT指令更改Baud rate為9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800。


HC-05是一個主從一體式藍牙模組,可以透過AT模式改變為藍牙傳輸中的主端,主動連接周邊藍牙設備,亦可做為從端,被動接收藍牙配對。共有STATE(狀態)、Rxd(接收)、 Txd(傳送)、GND(接地)、VCC(電源)、EN(AT模式致能)六支接腳,如圖3右圖,Rxd、Txd為UART介面傳輸之發送接收接腳;GND、VCC為電源接腳需接工作電壓3.6~6V之間,EN接腳配合電源使用,當上電時此腳接高電位則進入AT設定模式,反之則進入藍牙模式。



圖3 : HC-05藍牙模組外觀圖
圖3 : HC-05藍牙模組外觀圖

此作品將藍牙模組設定成從端模式,負責等待手機APP配對,透過UART介面將手機所傳送指令傳到MCU,MCU亦可藉著藍牙模組回傳信息給手機APP,讓藍牙模組達成MCU與手機APP之間信號傳輸的功能。


3.1.4 電控鎖


電控鎖又稱為電磁鎖,如圖4電控鎖外觀圖,工作電壓為12V,其設計原理其實與電磁鐵一樣,利用電生磁的原理,當電流通過內部線圈時,便會感應出磁力吸住鎖舌後方的鐵板,並達到開門的效果。反之,斷電則將失去磁力,即會鎖門。



圖4 : 電控鎖外觀圖
圖4 : 電控鎖外觀圖

3.1.5 TCS3200色彩辨識感測模組


TCS3200色彩辨識感測模組[4]內部包含光電晶體,及紅、綠、藍三色濾波器,當選擇一個顏色濾波器時,他只允許特定的原色光通過,再經由光電晶體得到光強度其訊號為數位振盪訊號,頻率低到高代表光強度低到高,達到獲取RGB混色比例的功能,如圖5功能方塊圖。



圖5 : TCS3200功能方塊圖
圖5 : TCS3200功能方塊圖

本文使用TCS3200色彩辨識感測模組,圖6左圖為模組外觀圖,若測光物體為不發光物體,需開啟模組上4顆白光LED做光反射原理,使不發光物體反射顏色光,圖6右圖為色彩辨識接腳圖,透過頻率百分比功能選擇腳S0、S1,三色濾波器功能選擇腳S2、S3及OUT腳輸出顏色振盪訊號,可以達到辨識顏色數據的功能,並將數據傳送至MCU做分析處理。



圖6 : TCS3200色彩辨識模組外觀、接腳
圖6 : TCS3200色彩辨識模組外觀、接腳

S0、S1做為輸出頻率百分比功能選擇腳如附表1,當S0、S1皆為低態,不做輸出動作;S0為低態、S1為高態,輸出頻率百分比為2%;S0為高態、S1為低態,輸出頻率百分比為20%;S0、S1皆為高態,輸出頻率百分比為100%。


表1:輸出頻率百分比功能選擇

S0

S1

輸出頻率百分比

L

L

Power down

L

H

2%

H

L

20%

H

H

100%


S2、S3做為紅、綠、藍三色濾波器功能選擇腳,如附表2,當S2、S3皆為低態,使用紅色濾波器,只讓紅光通過;S2為低態、S3為高態,使用藍色濾波器,僅讓藍光通過;S2為高態、S3為低態,不使用濾波器,所有光都可通過,可用來測量光強度;S2、S3皆為高態,選用綠色濾波器,僅讓綠色光通過。


表2:三色濾波器功能選擇腳

S2

S3

濾波器

L

L

Red

L

H

Blue

H

L

Clear

H

H

Green


3.2 電路設計

藍牙模組需要將EN接腳接高態再接上5V電源才能進入AT設定模式,藍牙模組的工作電流約在200mA大於HT66F2390的I/O腳輸出電流,所以需要使用電晶體做開關電路,將藍牙模組與5V電源之間接上電晶體如圖7藍牙模組部分電路圖,使MCU能透過I/O接腳PE0控制電晶體開關,間接控制藍牙模組的電源ON及OFF,讓MCU能透過I/O接腳PE1控制藍牙模組進入AT設定模式。



圖7 : 藍牙模組部分電路圖
圖7 : 藍牙模組部分電路圖

@內文:電控鎖的工作電壓為12V且工作電流約為0.7A,與HT66F2390的5V工作電壓完全不同,我們透過繼電器電路,使MCU I/O接腳PD0透過繼電器用5V去控制電控鎖的12V電源,如圖8電控鎖電路圖,繼電器內部線圈會產生反電動勢,透過繼電器內部的二極體消除。


圖8 : 電控鎖部分電路圖
圖8 : 電控鎖部分電路圖

@內文:色彩感測器部分,如圖9,將S0、S1、S2、S3接至MCU I/O接腳、OUT接至MCU的外部中斷腳,使感測器產生的數位訊號可以藉由MCU中斷次數來計算。


@內文:MCU內部則使用STM來做時間計算,設定要計數的時間,控制中斷功能的開啟與關閉,調整要抓取感測器數位振盪訊號的時間。



圖9 : 色彩感測器部分電路圖
圖9 : 色彩感測器部分電路圖

3.3 軟體流程

@內文:電源剛開啟時,進行初始化設定,設定藍牙UART傳輸及感測器模式及功能,透過判斷是否收到設定密碼命令,當接到設定密碼命令時,開啟設定模式,感測器抓取手機APP所發出螢幕光密碼,MCU儲存光密碼數據;當接到開鎖命令時,感測器抓取手機APP所發出螢幕光密碼,MCU判斷光密碼數據,若與設定之密碼吻合,MCU開啟門鎖;當接到刪除密碼命令時,MCU傳送所有存取的密碼,APP使用者選擇要刪除的密碼,MCU刪除該組密碼,軟體流程圖,如圖10所示。



圖10 : 軟體流程圖
圖10 : 軟體流程圖

3.4 APP軟體流程

@內文:開啟APP時可進入管理者設定、設定密碼、開鎖,三個動作,透過開啟藍牙,與藍牙模組進行配對及連接;設定密碼,使APP進入設定密碼流程,輸入認證碼開啟鎖具設定模式,進行螢幕光密碼傳送的雙重確認後儲存光密碼,將密碼存入SQLite[5];當要解鎖時,點選APP開鎖按鈕,將之前記憶的光密碼透過螢幕發光,達到開鎖功能,APP軟體流程圖,如圖11所示。



圖11 : APP軟體流程圖
圖11 : APP軟體流程圖

4. 測試方法

4.1測試TCS3200色彩感測器

因為TCS3200色彩感測器只能知道紅綠藍三原色光的光強度,所以需透過實驗了解手機三原色光的光強度最大值,藉此推算手機螢幕光的混色比例,並透過5次實驗數據做誤差分析,得知感測器量測數據的誤差值,在光密碼比對時做誤差處理,才不會出現同樣顏色光,卻打不開鎖的窘境。


4.1.1 開啟測試APP


@內文:開啟測試APP,便可以看到紅色、綠色、藍色三個螢幕光測試按鈕,按下按鈕,即可轉換螢幕光顏色,如圖12所示。



圖12 : 測試APP介面圖
圖12 : 測試APP介面圖

4.1.2 測三原色螢幕光RGB數位震盪訊號數值


@內文:量測三原色光轉換之數位振盪訊號,即可了解RGB數據之最大值就可推算其他顏色混色比例數值範圍,分別測試螢幕亮度100%與螢幕亮度0%的三原色螢幕光,測試在亮度改變而顏色不變的狀況下數據的差異。色彩感測器所感測到的RGB數位震盪訊號數值將會傳至MCU,並由電腦顯示RGB數位震盪訊號數值,如圖13,將感測器平貼手機螢幕測量三原色光數位振盪訊號數值。



圖13 : 感測紅光RGB數位振盪訊號數值圖
圖13 : 感測紅光RGB數位振盪訊號數值圖

4.1.3 分析RGB數位震盪訊號數值


為了做出來的光感應鎖能夠相容市面上所有不同手機,故將三個品牌之手機螢幕光做為測試對象,並將所有RGB數位震盪訊號數值感測之結果繪製成表格,並計算其誤差,結果如表3~表8所顯示。


表3:亮度100%紅光RGB數據表

螢幕亮度100%之紅色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

4188±0.15%

8329±0.19%

2110±0.63%

G

482±0.25%

503±0.28%

129±0.62%

B

739±0.14%

1055±1.25%

275±0.87%


表4:亮度100%綠光RGB數據表

螢幕亮度100%之綠色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

1351±0.22%

941±0.74%

377±0.27%

G

3946±0.15%

5392±0.69%

1531±0.17%

B

1369±0.09%

2195±1.42%

461±0.26%


表5:亮度100%藍光RGB數據表

螢幕亮度100%之藍色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

154±0.52%

180±2.99%

59±0.0%

G

752±0.27%

1301±0.72%

330±0.06%

B

2623±0.28%

4943±2.34%

1214±0.07%


表6:亮度0%紅光RGB數據表

螢幕亮度0%之紅色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

262±0.46%

97±0.0%

108±0.18%

G

31±0.0%

6±6.06%

7±0.0%

B

46±0.0%

12±3.17%

14±2.74%


表7:亮度0%綠光RGB數據表

螢幕亮度0%之綠色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

87±0.0%

10±7.84%

19±4.17%

G

250±0.16%

56±1.42%

76±0.26%

B

86±0.69%

23±1.69%

23±0.0%


表8:亮度0%藍光RGB數據表

螢幕亮度0%之藍色螢幕光RGB數值

?

ASUS

SONY

HTC

R

10±0.0%

2±15.38%

3±17.65%

G

47±0.0%

14±0.0%

16±2.41%

B

162±0.25%

52±0.0%

58±1.03%


透過這次的測量數據,我們得知TCS3200色彩感測模組不只對於顏色,對於螢幕光亮度也有亮度越高,振盪頻率越快的特性,所以在APP設計時,要能關閉手機自動亮度,使在設定密碼跟開鎖時,能有相同亮度作為數值基準。


在100%亮度與0%亮度的比對中可以發現,雖然在0%亮度的誤差值乍看之下較小,但


0%亮度的振盪次數太少,讓RGB色彩的解析度下降,在要對數值做誤差處理及密碼安全性的考量下,我們選擇固定螢幕光亮度為100%,使數據能夠做誤差處理,讓光密碼更安全可靠。


5. 結論

我們將手機的顏色光作為重要的解鎖工具,然而它的安全性是根據每支手機螢幕都有它的顏色誤差存在,雖然不能完美精準的呈現出其數值,但MCU所讀到的值也成為它的唯一性,即使你擁有一樣的顏色碼也無法破解。我相信顏色光在未來會成為新的辨識方法,或是軟硬體在通訊時的新協定。


6. 參考文獻

[1] Holtek Semiconductor Inc. HT66F2390,


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


[2]鍾啟仁,HT66FXX Flash MCU原理與實務組合語言篇,全華圖書股份有限公司,民國99年


[3]HC-05藍牙模組Datasheet,


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


[4]TCS3200 色彩辨識感測模組Datasheet,


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


[5]王安邦,Android 7.X App開發之鑰 使用Java及Android Studio,上奇資訊股份有限公司,民國106年


(本文作者為國立虎尾科技大學光電工程系 林華川教授、胡福安、陳勝君、簡資祐、王壹)


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