STM32+华为云IOT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，设计了一款物联网智能电子密码锁，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）支持手机APP远程开锁。通过华为云物联网平台实现远程发送指令开锁，设备上的ESP8266通过连接家里路由器，在连接华为云物联网平台，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，可以点击APP上的开锁按钮，通过物联网平台提供的API发送指令给STM32设备完成开锁。
（2）随机密码开锁。手机APP与本地设备都采用时间、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
4. 创建云端设备
4.1 创建设备
登录官网: https://www.huaweicloud.com/
直接搜索物联网，打开页面。
https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html
选择设备接入:
选择免费试用：
在产品页面，点击右上角创建产品:
填上产品信息:
得到产品ID，保存好ID，点击查看详情：
产品ID为：61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1.
点击设备页面，注册设备：
填充信息进行注册：
保存设备密匙和设备ID，点击保存关闭会自动下载文件保存，后面生成密码和登录账号需要使用
关闭后就看到创建好的设备了：
点击产品页面，选择刚才创建的产品：
选择自定义模型—创建数据模型服务：
选择新增属性，创建设备的属性
4.2 创建MQTT登录账号和密匙
设备创建完成接来下生成MQTT登录账号、密匙，方便设备登录云端平台。
官网工具地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
打开刚才创建设备时，下载的密匙文件，把内容复制出来对应的填进去，生成即可。
4.3 拼接主题订阅与发布的格式
官方文档介绍: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html
在产品页面可以，看到主题的全部格式：
帮助文档：https://support.huaweicloud.com/iothub/index.html
总结的格式如下:
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/messages/down
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//设备上报数据
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/properties/report
上属性的数据格式:
//上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
{"services": [{"service_id": "lock","properties":{"门锁":1}}]}
上面属性里的服务ID和属性里的名称，在设备页面，影子设备页面查看。
4.4 MQTT客户端模拟设备登录云端
下面使用MQTT客户端模拟设备登录服务器测试，看设备创建的是否OK。
服务器的IP地址是: 121.36.42.100
端口号是: 1883
打开MQTT客户端软件，按照提示，输入相关参数后，点击连接，然后再点击订阅主题，发布主题即可:
查看云端服务器的情况: 可以看到设备已经在线了，并且收到上传的数据。
修改一下锁的状态，上报属性再查看：
发现云端的状态也已经改变，现在设备上报已经OK。
接下来测试命令下发，实现远程开锁关锁的功能：
打开产品页面，新增加命令：
命令添加成功:
在设备页面，选择同步命令下发：
点击确定后，查看MQTT客户端，发现已经收到数据了：
$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497/sys/commands/request_id=88e2626f-290d-405e-962d-51554445a8fd{"paras":{"lock":1},"service_id":"lock","command_name":"lock"}
设备端解析收到的数据，就可以完成多步进电机的控制，完成开锁关锁。
5. STM32设备端代码设计
5.1 硬件相关原理图
5.2 程序下载配置
5.3 硬件接线
1. 板载ESP8266串口WIFI模块与STM32的串口3相连接。
PB10--RXD 模块接收脚
PB11--TXD 模块发送脚
PB8---CH-PD---悬空
PB9---RST---悬空
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
2. 触摸按键使用TTP229型号的驱动芯片
SCL接PC11
SDA-OUT接PC10
电源接VCC-3.3
GND接GND
3. ULN2003控制28BYJ-48步进电机接线:
ULN2003接线:
IN4: PC9 d
IN3: PC8 c
IN2: PC7 b
IN1: PC6 a
+ : 5V
- : GND
4. OLED显示屏
D0----SCK-----PB14
D1----MOSI----PB13
RES—复位(低电平有效)—PB12
DC---数据和命令控制管脚—PB1
CS---片选引脚-----PA7
5. 板载按键
KEY1---PA0
KEY2---PC13
6.板载LED灯
LED1---PB5
LED2---PB0
LED3---PB1
7. 板载蜂鸣器
BEEP---PA8
5.4 服务器连接核心代码
项目代码: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720
//华为物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510"
#define MQTT_UserName "61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497"
#define MQTT_PassWord "385ce91dfe7da5b7431868d5d87e7998163c493344040935d5a00024d6324242"
//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/messages/down" //订阅
#define POST_TOPIC "$oc/devices/61b9ba3a2b2aa20288c1e7f1_QQ1126626497_0_0_2021121510/sys/properties/report" //发布
char mqtt_message[200];//上报数据缓存区
int main()
{
u32 time_cnt=0;
u32 i;
u8 key;
LED_Init();
BEEP_Init();
KEY_Init();
USART1_Init(115200);
TIMER1_Init(72,20000); //超时时间20ms
USART2_Init(9600);//串口-蓝牙
TIMER2_Init(72,20000); //超时时间20ms
USART3_Init(115200);//串口-WIFI
TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\n");
if(ESP8266_Init())
{
USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\n");
}
else
{
//非加密端口
USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("CMCC-Cqvn","99pu58cb","121.36.42.100",1883,1));
}
//2. MQTT协议初始化
MQTT_Init();
//3. 连接华为服务器
while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
{
USART1_Printf("服务器连接失败,正在重试...\n");
delay_ms(500);
}
USART1_Printf("服务器连接成功.\n");
//3. 订阅主题
if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
{
USART1_Printf("主题订阅失败.\n");
}
else
{
USART1_Printf("主题订阅成功.\n");
}
..................
..................
...................
}
5.5 随机密码生成
#include 5.6 RTC实时时钟代码
#include "rtc.h"
//定义RTC标准结构体
struct RTC_CLOCK rtc_clock;
/*
函数功能: RTC初始化函数
*/
void RTC_Init(void)
{
if(BKP->DR1!=0xAB) //表示RTC第一次初始化
{
//1. 备份寄存器时钟
RCC->APB1ENR|=1<<27; //备份时钟接口
RCC->APB1ENR|=1<<28; //电源时钟接口
PWR->CR|=1<<8; //允许写入RTC和后备寄存器
//2. 配置RTC时钟源
RCC->BDCR|=1<<0; //开启外部32.768K时钟
while(!(RCC->BDCR&1<<1)){} //等待时钟就绪
RCC->BDCR&=~(0x3<<8); //清空时钟配置
RCC->BDCR|=0x1<<8; //选择外部32.768K时钟
//3. 配置RTC核心寄存器
RCC->BDCR|=1<<15; //开启RTC时钟
while(!(RTC->CRL&1<<5)){} //判断上一次寄存器是否写完成
RTC->CRL|=1<<4; //进入配置模式
RTC->PRLH=0; //预分频高位
RTC->PRLL=0x7FFF; //32767 预分频低位
RTC->CNTH=0; //计数器高位
RTC->CNTL=0; //计数器低位
RTC->ALRH=0; //闹钟寄存器高位
RTC->ALRL=60; //闹钟寄存器低位
RTC->CRL&=~(1<<4);//退出配置模式
while(!(RTC->CRL&1<<5)){} //判断上一次寄存器是否写完成
BKP->DR1=0xAB; //表示配置成功了
}
RTC->CRH|=1<<0; //秒中断
RTC->CRH|=1<<1; //闹钟中断
STM32_SetPriority(RTC_IRQn,2,2); //优先级
RTC_SetTime(2022,4,9,0,36,1);
}
extern void Update_FrameShow(void);
/*
函数功能: RTC闹钟中断服务函数
*/
void RTC_IRQHandler(void)
{
u32 SecCnt;
if(RTC->CRL&1<<0)
{
SecCnt=RTC->CNTH<<16;//获取高位
SecCnt|=RTC->CNTL; //获取低位
RTC_GetTime(SecCnt); //转换标准时间
RTC_GetWeek(SecCnt);
// printf("%d-%d-%d %d:%d:%d week:%d\n",rtc_clock.year,rtc_clock.mon,rtc_clock.day,rtc_clock.hour,rtc_clock.min,rtc_clock.sec,rtc_clock.week);
Update_FrameShow(); //更新显示
RTC->CRL&=~(1<<0); //清除秒中断标志位
}
if(RTC->CRL&1<<1)
{
// printf("闹钟时间到达!....\n");
// BEEP=1;
// DelayMs(500);
// BEEP=0;
RTC->CRL&=~(1<<1); //清除闹钟中断标志位
}
}
//闰年的月份
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};
/*
函数功能: 设置RTC时间
函数形参:
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; //总秒数
/*1. 累加已经过去的年份*/
for(i=2017;i<year;i++) //基准年份:20170101000000
{
if(RTC_GetYearState(i))
{
SecCnt+=366*24*60*60; //闰年一年的秒数
}
else
{
SecCnt+=365*24*60*60; //平年一年的秒数
}
}
/*2. 累加过去的月份*/
for(i=0;i<mon-1;i++)
{
if(RTC_GetYearState(year))
{
SecCnt+=mon_r[i]*24*60*60; //闰年一月的秒数
}
else
{
SecCnt+=mon_p[i]*24*60*60; //平年一月的秒数
}
}
/*3. 累加过去的天数*/
SecCnt+=(day-1)*24*60*60;
/*4. 累加过去小时*/
SecCnt+=hour*60*60;
/*5. 累加过去的分钟*/
SecCnt+=min*60;
/*6. 累加过去的秒*/
SecCnt+=sec;
/*7. 设置RTC时间*/
RCC->APB1ENR|=1<<27; //备份时钟接口
RCC->APB1ENR|=1<<28; //电源时钟接口
PWR->CR|=1<<8; //允许写入RTC和后备寄存器
while(!(RTC->CRL&1<<5)){} //判断上一次寄存器是否写完成
RTC->CRL|=1<<4; //进入配置模式
RTC->CNTH=SecCnt>>16; //计数器高位
RTC->CNTL=SecCnt&0xFFFF; //计数器低位
RTC->CRL&=~(1<<4);//退出配置模式
while(!(RTC->CRL&1<<5)){} //判断上一次寄存器是否写完成
}
/*
函数功能: 获取RTC时间
函数参数: u32 sec 秒单位时间
*/
void RTC_GetTime(u32 sec)
{
u32 i;
rtc_clock.year=2017; //基准年份
/*1. 计算当前的年份*/
while(1)
{
if(RTC_GetYearState(rtc_clock.year))
{
if(sec>=366*24*60*60) //够一年
{
sec-=366*24*60*60;
rtc_clock.year++;
}
else break;
}
else
{
if(sec>=365*24*60*60) //够一年
{
sec-=365*24*60*60;
rtc_clock.year++;
}
else break;
}
}
/*2. 计算当前的月份*/
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. 计算当前的天数*/
rtc_clock.day=1;
while(1)
{
if(sec>=24*60*60)
{
sec-=24*60*60;
rtc_clock.day++;
}
else break;
}
/*4. 计算当前的小时*/
rtc_clock.hour=0;
while(1)
{
if(sec>=60*60)
{
sec-=60*60;
rtc_clock.hour++;
}
else break;
}
/*5. 计算当前的分钟*/
rtc_clock.min=0;
while(1)
{
if(sec>=60)
{
sec-=60;
rtc_clock.min++;
}
else break;
}
/*6. 计算当前的秒*/
rtc_clock.sec=sec;
}
/*
函数功能: 判断年份是否是平年、闰年
返回值 : 0表示平年 1表示闰年
*/
u8 RTC_GetYearState(u32 year)
{
if((year%4==0&&year%100!=0)||year%400==0)
{
return 1;
}
return 0;
}
/*
函数功能: 获取星期
*/
void RTC_GetWeek(u32 sec)
{
u32 day1=sec/(60*60*24); //将秒单位时间转为天数
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;
}
}
/*
将标准时间转为秒单位时间
思路: 全程加法
时间基准点: 1970年1月1日0时0分0秒
返回值: 得到的秒单位时间
*/
unsigned int TimeToSec(int year, int mon, int mdeay, int hour, int min)
{
int i;
int sec_cnt = 0; //记录秒单位的时间
/*1. 转换年*/
for (i = 1970; i < year; i++)
{
if (RTC_GetYearState(i)) //闰年
{
sec_cnt += 366 * 24 * 60 * 60;
}
else
{
sec_cnt += 365 * 24 * 60 * 60;
}
}
/*2. 转换月*/
for (i = 0; i < mon - 1; i++)
{
if (RTC_GetYearState(year)) //闰年
{
sec_cnt += mon_r[i] * 24 * 60 * 60;
}
else
{
sec_cnt += mon_p[i] * 24 * 60 * 60;
}
}
/*3. 转换天数*/
sec_cnt += (mdeay - 1) * 24 * 60 * 60;
/*4. 转换小时*/
sec_cnt += hour * 60 * 60;
/*5. 转换分钟*/
sec_cnt += min * 60;
return sec_cnt;
}