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

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

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

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

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

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

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%。

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。

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

@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

@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

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

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

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

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

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。

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)