基于WEB與UWB混合通信網(wǎng)絡(luò)的智能家居門(mén)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于蘭蘭，董秋杰，董 碩，葛海燕，張厚升

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2. 國(guó)網(wǎng)山東省濱州市濱城區(qū)供電公司，山東 濱州 256000)

基于WEB與UWB混合通信網(wǎng)絡(luò)的智能家居門(mén)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于蘭蘭1，董秋杰1，董 碩2，葛海燕1，張厚升1

(1. 山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2. 國(guó)網(wǎng)山東省濱州市濱城區(qū)供電公司，山東 濱州 256000)

基于模塊化設(shè)計(jì)思想，以ARM處理器芯片為主控核心，構(gòu)建智能家居門(mén)鎖控制系統(tǒng).將基于WEB的遠(yuǎn)程控制與基于UWB的近距離無(wú)線通信控制相結(jié)合，提出一種混合式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式，并針對(duì)UWB傳輸距離較短的問(wèn)題，采取最小二乘法對(duì)其定位算法進(jìn)行優(yōu)化處理，利用MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，優(yōu)化精確率達(dá)到88%，為智能家居的構(gòu)建提供了一種新模式.

智能家居門(mén)鎖；混合通信；WEB；UWB；最小二乘法

現(xiàn)代快節(jié)奏的生活下，人們出門(mén)忘記帶鑰匙的事情經(jīng)常發(fā)生，構(gòu)建一個(gè)舒適、便利、高效的智能家居環(huán)境已成為現(xiàn)代人們追求的新方向.本文以此為研發(fā)背景，設(shè)計(jì)了基于ARM處理器芯片[1-2]的智能門(mén)鎖控制系統(tǒng).系統(tǒng)使用STM32板為控制核心，主要由STM32主控模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、近距離無(wú)線通信模塊、門(mén)開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊、擴(kuò)展模塊五部分組成.其中，遠(yuǎn)程控制與近距離無(wú)線通信相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)通信模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面.系統(tǒng)采用基于WEB為核心的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家電的遠(yuǎn)程遙控；通過(guò)定位優(yōu)化的UWB近距離通信實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖狀態(tài)的檢測(cè)與控制.在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)，極大地減少了資源浪費(fèi).

1 智能家居門(mén)鎖系統(tǒng)

智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)由ARM主控模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、近距離無(wú)線通信模塊、門(mén)開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊、擴(kuò)展模塊五部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.其中，ARM主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要是與各從設(shè)備進(jìn)行信息交流，同時(shí)將各從設(shè)備傳遞上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與存儲(chǔ)器中的預(yù)存信息進(jìn)行比較，最終控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān).本設(shè)計(jì)使用廣州星翼電子科技有限公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6處理器[3]為控制核心，它是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用板.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 the diagram of system structure

門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)模塊主要由滑動(dòng)變阻器組成，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)門(mén)鎖開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功能[4].鎖上時(shí)，鎖舌帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器改變阻值，假設(shè)設(shè)定滑動(dòng)變阻器阻值在1-5Ω范圍內(nèi)為門(mén)開(kāi)狀態(tài)，超過(guò)5Ω為門(mén)關(guān)狀態(tài).當(dāng)單片機(jī)收到檢測(cè)門(mén)鎖開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)時(shí)，檢測(cè)電阻的阻值大小即可判斷相應(yīng)的門(mén)鎖開(kāi)關(guān)狀態(tài).這樣就可以在盡量不改變鎖的原有結(jié)構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)由普通門(mén)鎖到智能門(mén)鎖的改裝.

擴(kuò)展模塊主要是針對(duì)特殊用戶開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的模塊，其作用是在主控制器控制下完成某種特殊工作.例如，李海龍等提出指紋電子門(mén)鎖的設(shè)計(jì)[5]，以專(zhuān)門(mén)服務(wù)于對(duì)于電腦等科技產(chǎn)品了解甚少的老年人，可以設(shè)計(jì)指紋檢測(cè)模塊，然后將其連接到主控制系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)通過(guò)指紋來(lái)開(kāi)關(guān)門(mén)的功能.此外，還可以根據(jù)用戶需要開(kāi)發(fā)各種特殊用途的模塊[6].

2 混合通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

將基于WEB的遠(yuǎn)程控制與基于UWB的近距離無(wú)線通信控制相結(jié)合，提出一種混合式的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式.其中，遠(yuǎn)程控制模塊可以使系統(tǒng)與用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，使用戶無(wú)論身處何地，都可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控智能家電的運(yùn)行狀態(tài).

目前有多種遠(yuǎn)程通信技術(shù)得到發(fā)展，如基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的GPRS、GSM、CDMA等技術(shù)[7-8]，但是此類(lèi)系統(tǒng)需配備一張中國(guó)移動(dòng)的SIM卡，使系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生通信費(fèi)用，使用的成本較高.WEB服務(wù)具有靈活性、可跨平臺(tái)性，能智能化識(shí)別用戶的身份以及與用戶有關(guān)的安全信息，因此具有很高的安全性能.現(xiàn)代家庭中路由器應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，WEB遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建就是以家庭路由器為依托，所以不會(huì)產(chǎn)生通訊等費(fèi)用.其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 WEB遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of WEB remote communication system

智能門(mén)鎖WEB服務(wù)器系統(tǒng)，主要由WEB服務(wù)器和保存智能門(mén)鎖狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成.當(dāng)收到遠(yuǎn)程控制端發(fā)來(lái)的調(diào)取命令時(shí)，WEB服務(wù)器系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程控制端；遠(yuǎn)程控制端通過(guò)輸入WEB服務(wù)器端的IP地址對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)與遠(yuǎn)程遙控.基于王君博士提出的由VC++6.0 SOCKET編程的WEB設(shè)計(jì)方案[9]，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于智能門(mén)鎖的WEB平臺(tái).當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，首先在服務(wù)器IP地址中輸入WEB服務(wù)端的IP地址.地址檢驗(yàn)無(wú)誤后，操作檢測(cè)與控制面板，輸入通信密碼，若密碼錯(cuò)誤，則不執(zhí)行任何操作；若密碼正確，則STM32控制系統(tǒng)對(duì)門(mén)鎖開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè).需要開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，按下“開(kāi)門(mén)”或“關(guān)門(mén)”按鈕，控制系統(tǒng)就會(huì)將命令發(fā)送到STM32主控系統(tǒng)，由其控制執(zhí)行相應(yīng)操作.

目前常用的無(wú)線通信有Bluetooth、IEEE802.11a、UWB等方式.其中，UWB[10]與其他無(wú)線通信方式相比，具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率高、消耗電能少、保密性好等優(yōu)勢(shì)，UWB本身的帶寬很寬，在接入上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，還可以作為下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，從而可以拓寬傳輸距離.同時(shí)，UWB發(fā)射功率小，其發(fā)射功率譜密度對(duì)于其他通信功率來(lái)說(shuō)相當(dāng)于噪聲，因此大大減小了不同通信方式之間的干擾，降低了截獲率.

3 UWB定位算法優(yōu)化處理

UWB技術(shù)雖然在近距離傳輸方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但其傳輸距離較短，一般在10m左右.因此，在使用中需要進(jìn)行多個(gè)UWB設(shè)備的拓展，也就是UWB定位.最常用的是基于到達(dá)時(shí)間的TOA定位算法[11]，此算法利用主從機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)延時(shí)來(lái)計(jì)算距離.

假設(shè)無(wú)線電傳輸速度為υ，主從機(jī)之間信息傳輸時(shí)間為t，那么兩者之間距離L為

L=υ×t

(1)

由此，從機(jī)安裝位置一定要在以主機(jī)為圓心，以L為半徑的圓周內(nèi)，如果再以此從機(jī)為主機(jī)安裝，則根據(jù)這種計(jì)算方法得出最佳安裝位置，以此類(lèi)推在實(shí)際情況下，由于存在非視距、多徑、衍射、反射、碼間串?dāng)_等多種干擾因素的影響，利用式(1)計(jì)算的距離存在很大的誤差，因此需要選用其他方法進(jìn)行建模求解，對(duì)UWB算法優(yōu)化處理.

本文選用最小二乘法，它具有很好的無(wú)偏性、有效性、一致性和易于設(shè)計(jì)與建模，其表達(dá)式為

(2)

式中：yi為可觀測(cè)的隨機(jī)變量；ti為可觀測(cè)的獨(dú)立變量；ei為不可觀測(cè)的誤差變量；a和b為待估參數(shù).

(3)

(4)

(5)

假設(shè)有1000組設(shè)備需要安裝，利用MATLAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)基于最小二乘法的UWB定位算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，數(shù)據(jù)模擬如圖3所示.

(a)真實(shí)數(shù)據(jù)輸入

(b)真實(shí)數(shù)據(jù)處理輸出圖3 模擬數(shù)據(jù)集處理Fig.3 Analog data set processing

由圖3可以看出，無(wú)論模擬數(shù)據(jù)輸入還是模擬數(shù)據(jù)處理輸出都是連續(xù)數(shù)據(jù)，以此來(lái)模擬主從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸情況.通過(guò)MATLAB仿真平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，其離散時(shí)間模型如式(6).

A(z)y(t)=B(z)u(t)+e(t)

(6)

式中：A(z)=1-1.274z-1+0.3935z-2；B(z)=0.06662z-3+0.04448z-4；采樣時(shí)間為0.08s.測(cè)量輸出與模擬輸出的比較如圖4所示.由圖4(b)可以看出，模擬輸出與真實(shí)輸出的吻合度達(dá)到88.88%.由圖4(a)可知，其吻合度只有34.97%.因此，應(yīng)用最小二乘法所求模型可以大大提高輸出結(jié)果的吻合度.

(a)優(yōu)化處理前

(b)優(yōu)化處理后圖4 測(cè)量輸出與模擬輸出比較Fig.4 The comparison of the measurement cutput and the analog output

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程控制的WEB與近距離無(wú)線通信控制的UWB相結(jié)合的混合通訊模式，為智能家居門(mén)鎖系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有利支撐.一方面，利用不易被截獲的UWB近距離傳輸控制啟動(dòng)密碼的安全輸入，并結(jié)合遠(yuǎn)距離控制的WEB通信方式進(jìn)行通信用戶的身份識(shí)別，提高了系統(tǒng)的安全性能；另一方面，利用此混合通信模式，可安全有效地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)操作的遠(yuǎn)程遙控；最后，針對(duì)UWB傳輸距離較短的問(wèn)題，采取最小二乘法對(duì)其定位算法進(jìn)行優(yōu)化處理，大大提高了其定位精度.

由于硬件條件的限制，采用DC12V直流無(wú)刷電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)，并通過(guò)轉(zhuǎn)接板與STM32板相連.將已開(kāi)發(fā)的上位機(jī)通過(guò)路由器與WEB遠(yuǎn)程控制相連接，IO檢測(cè)與滑動(dòng)變阻器相連，獲取開(kāi)關(guān)門(mén)的鎖舌運(yùn)動(dòng)狀態(tài).經(jīng)過(guò)模擬仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好.

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DesignofasmarthomedoorlocksystembasedonWEBandUWBhybridcommunicationnetwork

YU Lan-lan1, DONG Qiu-jie1, DONG Shuo2, GE Hai-yan1, ZHANG Hou-sheng1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. State Grid Shandong Bincheng District Power Supply Bureau, Binzhou 256000, China)

Based on the modular design idea, with ARM processor chip as the main control core, the control system of the smart home door lock is constructed. Among them, the construction of the communication network is an important aspect of the realization of the modern smart home. Based on the combination of WEB based remote control and UWB based near distance wireless communication control, a hybrid network construction mode is proposed. At the same time, aiming at the problem of short transmission distance of UWB, the least square method is adopted to optimize the positioning algorithm. The simulation results of MATLAB software are used to verify the algorithm, and the accuracy rate is 88%， which provides a new model for the construction of smart home.

smart home door lock; hybrid communication; WEB; UWB; least square method

2016-09-26

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金(BS2014DX009)； 山東理工大學(xué)綜合課程改革資助項(xiàng)目(115061、114129)

于蘭蘭，女，yulanlan124@163.com;

董秋杰，男，yll521gq@163.com

1672-6197(2018)01-0031-04

TV273.5

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(編輯：劉寶江)