基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居門鎖聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計

高緒國

關(guān)鍵詞： 智能化 門鎖 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) NB-IoT

中圖分類號： TP273 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0028-04

智能鎖是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的機械式鎖，它采用了先進的信息技術(shù)，將無線、生物技術(shù)相融合，使其具有更高的用戶識別、安全性能和管理便捷性。當(dāng)前市面上常見的智能鎖有電子密碼鎖、生物識別鎖、射頻感應(yīng)鎖等。目前，人們普遍認(rèn)為，與常規(guī)的機械式門禁相比，安全性能得到了很大的改善，但是，對用戶的口令仍然容易被人窺探，而且其安全性也需要進一步改進；NB-IoT 技術(shù)不但解決了傳統(tǒng)機械鎖存在的問題，改善了其安全性能，同時也為其操作和管理帶來了便利，使得其外形更加美觀時尚[1]。所以，研究高穩(wěn)定性、高可靠性、遠距離、低成本的NB-IoT 技術(shù)是非常重要的，但也面臨著極大的挑戰(zhàn)。

1 相關(guān)技術(shù)概述

1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)概念

NB-IoT 技術(shù)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)低功率器件的數(shù)據(jù)互聯(lián)，也稱為Low-WAN（LPWA）。NB-IoT 可以在更長的等待和有效地接入需要更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，并且可以實現(xiàn)內(nèi)部的無線數(shù)據(jù)接入[2]。

1.2 NB-IoT 的部署方式

該技術(shù)支持3 個部署模式：單獨部署、保護帶部署、內(nèi)部部署。Guard-band 方式：能夠充分發(fā)揮LTE 中的邊沿?zé)o效波段。內(nèi)部模塊：LTE 載波之間的任意資源都可以使用。

（1）RF 帶寬180 kHz（上行/下行）（考慮兩邊保護帶，也被描述為200 kHz）。

（2）下行：OFDMA，子載波間隔15 kHz。

（3）上行：SC-FDMA，Single-tone（3.75 kHz/15 kHz），Multi-tone（15 kHz）[3]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居門鎖聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

該智能門鎖通過與全球定位系統(tǒng)（GPS）進行連接，并在RS485 端口上提供其他的探測數(shù)據(jù)；電子鎖具可以與 GPRS 系統(tǒng)進行通信，可以讓遠程的監(jiān)控系統(tǒng)知道門禁的具體位置和狀態(tài)，還可以發(fā)出命令，讓門禁打開，電子鎖具可以根據(jù)門禁的情況來判定門禁，并將情況匯報到信息接收處理平臺[4]。圖1 顯示了該體系的構(gòu)成。

2.2 功能要求

（1）該終端可以利用GPRS 與系統(tǒng)監(jiān)測平臺進行通信，將設(shè)備狀態(tài)信息、GPS 定位數(shù)據(jù)等信息進行報告。

（2）監(jiān)控平臺可通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)給終端發(fā)送指令進行鎖車/解鎖控制。

（3）在將系統(tǒng)供電電壓偏低報警信息、系統(tǒng)供電電壓、內(nèi)建電池電壓數(shù)據(jù)、GPS 位置信息等轉(zhuǎn)換到內(nèi)部電池供電之前，將所述系統(tǒng)供電電壓偏低報警信息、所述系統(tǒng)供電電壓、所述內(nèi)嵌電池電壓數(shù)據(jù)、GPS位置信息。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門鎖聯(lián)動系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 STM32 BC95介紹

BC95 是一款低功耗、高性能的NB-IoT 無線通信系統(tǒng)。它的大小只有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm，可最大程度地適應(yīng)小型組件的需要，在減少產(chǎn)品體積和降低成本的前提下。BC95 與移動通信的GSM/GPRS 系列M95 模塊相匹配，方便用戶進行快速靈活的產(chǎn)品開發(fā)與更新。同時，SMT 芯片技術(shù)也使BC95 在復(fù)雜的使用場合中有著很高的可靠性[5]。

2.3.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

（1）中心控制模塊。

在圖2中給出了中央控制模塊的設(shè)計架構(gòu)。這一功能主要用于監(jiān)視門禁信息采集的狀態(tài)，并對獲得的數(shù)據(jù)進行一定的處理，或是按照使用者在主機上的運行情況發(fā)布相應(yīng)的控制命令，這個結(jié)點就成為了整個網(wǎng)路中的一個協(xié)調(diào)者。

（2）門鎖狀態(tài)采集模塊。

該模塊的主要作用是：利用鎖芯內(nèi)部的傳感器對鎖芯的開、關(guān)狀態(tài)進行檢測，用PIC18F4620 進行數(shù)據(jù)分析，然后將其傳輸?shù)街醒肟刂破?；?dāng)中央控制單元接收到該消息后，向該單元發(fā)出一條確定消息，該消息由CC2420 接收并傳輸?shù)皆撎幚砥?，這時該信號就會閃動，表示該數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。這部分重點介紹了如何實現(xiàn)信號的變換和顯示的電路[6]。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸

（1）MAC 層是對上層的資料進行統(tǒng)一的處理，根據(jù)前面的說明，MAC 層和上層的服務(wù)數(shù)據(jù)信道只有DTCH，所以沒有任何的數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)，也沒有信號和服務(wù)的區(qū)別。

（2）當(dāng)上一級的資料傳輸?shù)組AC 層時，在MAC 層的界面會生成一個分組序號識別，MAC 層將這個分組分割后，由MAC PDU 中的SDU（服務(wù)數(shù)據(jù)單位，服務(wù)數(shù)據(jù)單位）子報文中的SN（序號、順序編號）編號識別，SN編號的分組是同一上碼組，SDU 子報文中增加FI 識別以表示SDU 是較高的分組的開頭和結(jié)尾，如果FI=1，表示這個SDU 是上一層的分組的結(jié)尾，F(xiàn)I=1 表示這個SDU 是一個較高的分組。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門鎖聯(lián)動系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

3.1 GPS 數(shù)據(jù)幀接收和解析

GPS 通信模塊在與物流鎖定期間，通過被動地接受來自于衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。通過GPS 與各顆衛(wèi)星的握手?jǐn)?shù)據(jù)進行了交互，得到了GPS 與GPS 之間的假距離，并利用該方法求出了GPS 的四大關(guān)鍵參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度、時間。通過本身的信號進行分析，得到的交通工具的時間、速度和位置等。GPS 模塊在終端機與車輛進行工作時，將不斷地接受到衛(wèi)星的導(dǎo)航信息[7]。

3.2 GPRS 遠程數(shù)據(jù)傳輸

3.2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接

在SIM900A 模塊初始化之后，GPRS 的網(wǎng)絡(luò)接入也就是TCP 接入。TCP 連接提供了一種基于網(wǎng)絡(luò)的、可靠的、具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送機制，TCP 具有非常復(fù)雜的傳送機制，可以確保數(shù)據(jù)的正確傳送，TCP 中的握手和中斷都是有嚴(yán)格的方法的，在數(shù)據(jù)傳送中，存在超時重傳、滑動窗口、流量控制和TCP 檢查等。GPRS 系統(tǒng)采用UART2 和STM32 處理器進行通信，SIM900 采用AT+CIPSEND 指令，每次傳送1 024 位元。傳輸指令可以在超過1 024 個字節(jié)時被反復(fù)利用。SIM900 采用UART2實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3.2.2 數(shù)據(jù)幀格式定義

在將數(shù)據(jù)傳送到站臺時，電子鎖會含有 GPS 的位置和車牌號碼等復(fù)雜的信息；所以在與平臺進行數(shù)據(jù)交換時，必須遵守某種特定的通信規(guī)則，使其可以進行正常的數(shù)據(jù)封裝、傳送和接收。GPS_Data 的數(shù)據(jù)框包括數(shù)據(jù)框標(biāo)記位、電子鎖跟車的經(jīng)緯度、時間和車輛牌照號。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門鎖聯(lián)動系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測試

4.1 通信距離與丟包率測試

丟包率是指沒有接收到的分組和傳輸?shù)目偟臏y試分組的比例。丟包率與通信距離、數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)傳輸率等相關(guān)，還受到周邊的環(huán)境條件的制約。在此基礎(chǔ)上，利用NB-IoT 協(xié)調(diào)程序與手提計算機進行了串行接口，并將終端的電池電源與協(xié)調(diào)器組合體組成的網(wǎng)絡(luò)進行了比較。經(jīng)過多次重復(fù)測試，平均測試結(jié)果見表1。

從實驗的數(shù)據(jù)來看，在房間里，通信的距離可以達到50 m，而在戶外，則是在140 m 的范圍內(nèi)。這并不能滿足大規(guī)模的樓房和住宅區(qū)。因此，此方案還采用了多個路由結(jié)點，擴大了通信范圍，同時滿足了小區(qū)內(nèi)智能門禁的分布特征。

4.2 智能門鎖下行數(shù)據(jù)傳輸測試

網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點在入網(wǎng)之后每3 s 醒來一次詢問其父節(jié)點是否有數(shù)據(jù)需要接收，如果沒有數(shù)據(jù)需要接收就再次進入休眠狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)就進入接收狀態(tài)，待數(shù)據(jù)接收完畢后進入休眠狀態(tài)，這樣周而復(fù)始的工作。同時還以30 s 的間隔循環(huán)醒來向協(xié)調(diào)器上報自己的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。節(jié)點功耗主要包括發(fā)送、接收、休眠時消耗的功耗。根據(jù)試驗結(jié)果，普通使用時，智能門鎖的功耗為160～180 μA，滿足了該模塊的功耗標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 智能門鎖上行數(shù)據(jù)接收測試

在計算機管理系統(tǒng)中預(yù)先登記了智能門鎖ID 號碼，也就是增加了一個使用者，使該智能門鎖成為一個法定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，可以被納入?yún)f(xié)調(diào)程序所創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)中。在智能門鎖上加上一張合法的房卡，讓其可以順利地開啟。當(dāng)刷卡時，計算機的管理系統(tǒng)會給出卡號、合法、非法等相關(guān)信息。在遇到違法刷卡的情況下，該系統(tǒng)還會自動發(fā)出警告。

4.4 數(shù)據(jù)接收測試

本文選擇100 個結(jié)點進行多結(jié)點的網(wǎng)路試驗。NB-IoT 網(wǎng)的理論結(jié)點數(shù)量已達60 000 多個，然而到現(xiàn)在，在實驗室環(huán)境下，真正能夠穩(wěn)定工作的網(wǎng)絡(luò)中，其結(jié)點能力不足2 000 個。這樣就能處理大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)采用NB-IoT 無線模塊和通信面板，實現(xiàn)了對智能門禁的仿真，可利用網(wǎng)路監(jiān)視軟體對網(wǎng)路中各結(jié)點的狀況進行監(jiān)測。

在對系統(tǒng)進行一星期的網(wǎng)絡(luò)試驗后，各終端結(jié)點以10 min 為間隔，將一個數(shù)據(jù)分組作為一個仿真的窗口打開。一般人很難用這種方式刷信用卡。從表格中可以看到，每個結(jié)點的丟失率不超過2%，由于每個結(jié)點集中在一個屋子里，因此，這個數(shù)據(jù)量要比實際情況要大得多。因此，這種智能化的門禁控制裝置可以被廣泛地用于大約100 個小區(qū)。

5 結(jié)語

智能門禁系統(tǒng)是一種新型的智能化住宅系統(tǒng)。隨著社會的發(fā)展，在保證個人的財產(chǎn)安全的前提下，如何使門鎖更加便捷和智能化，已經(jīng)是一個十分重要的課題。NB-IoT 技術(shù)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的低功率器件的數(shù)據(jù)互聯(lián)。為此，本文選取了一種基于該技術(shù)的智能化門禁系統(tǒng)，對其進行了數(shù)據(jù)的收集與處理，并對其進行了深入的研究。

（1）簡要闡述了窄帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對其優(yōu)點和不足進行了比較，并針對智能門禁的需求，給出了相應(yīng)的解決辦法。

（2）詳細實施系統(tǒng)的設(shè)計，其中包含系統(tǒng)硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計；最后實現(xiàn)了各模塊之間的數(shù)據(jù)收集。在STM32 軟件的基礎(chǔ)上，對智能門禁系統(tǒng)進行了分類，包括接收與解析、數(shù)據(jù)格式、GPRS 遠程數(shù)據(jù)傳送。

（3）通過試驗和數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)上述的設(shè)計需求，對智能門的數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)的收集和接收。