基于WEB與UWB混合通信網(wǎng)絡的智能家居門鎖系統(tǒng)設計

于蘭蘭，董秋杰，董 碩，葛海燕，張厚升

(1. 山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2. 國網(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)絡的智能家居門鎖系統(tǒng)設計

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 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；2. 國網(wǎng)山東省濱州市濱城區(qū)供電公司，山東 濱州 256000)

基于模塊化設計思想，以ARM處理器芯片為主控核心，構建智能家居門鎖控制系統(tǒng).將基于WEB的遠程控制與基于UWB的近距離無線通信控制相結合，提出一種混合式的網(wǎng)絡構建模式，并針對UWB傳輸距離較短的問題，采取最小二乘法對其定位算法進行優(yōu)化處理，利用MATLAB進行了仿真驗證，優(yōu)化精確率達到88%，為智能家居的構建提供了一種新模式.

智能家居門鎖；混合通信；WEB；UWB；最小二乘法

現(xiàn)代快節(jié)奏的生活下，人們出門忘記帶鑰匙的事情經(jīng)常發(fā)生，構建一個舒適、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，設計了基于ARM處理器芯片[1-2]的智能門鎖控制系統(tǒng).系統(tǒng)使用STM32板為控制核心，主要由STM32主控模塊、遠程控制模塊、近距離無線通信模塊、門開關檢測模塊、擴展模塊五部分組成.其中，遠程控制與近距離無線通信相結合的混合網(wǎng)絡通信模塊是系統(tǒng)實現(xiàn)的一個重要方面.系統(tǒng)采用基于WEB為核心的遠程控制，實現(xiàn)對智能家電的遠程遙控；通過定位優(yōu)化的UWB近距離通信實現(xiàn)門鎖狀態(tài)的檢測與控制.在系統(tǒng)整體設計上采用模塊化設計，極大地減少了資源浪費.

1 智能家居門鎖系統(tǒng)

智能門鎖控制系統(tǒng)由ARM主控模塊、遠程控制模塊、近距離無線通信模塊、門開關檢測模塊、擴展模塊五部分組成，系統(tǒng)結構圖如圖1所示.其中，ARM主控模塊是整個系統(tǒng)的控制核心，主要是與各從設備進行信息交流，同時將各從設備傳遞上來的數(shù)據(jù)進行分析處理，與存儲器中的預存信息進行比較，最終控制門鎖的開關.本設計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、低功耗的嵌入式應用板.

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 the diagram of system structure

門開關狀態(tài)檢測模塊主要由滑動變阻器組成，實現(xiàn)檢測門鎖開關狀態(tài)的功能[4].鎖上時，鎖舌帶動滑動變阻器改變阻值，假設設定滑動變阻器阻值在1-5Ω范圍內為門開狀態(tài)，超過5Ω為門關狀態(tài).當單片機收到檢測門鎖開關狀態(tài)信號時，檢測電阻的阻值大小即可判斷相應的門鎖開關狀態(tài).這樣就可以在盡量不改變鎖的原有結構下，實現(xiàn)由普通門鎖到智能門鎖的改裝.

擴展模塊主要是針對特殊用戶開發(fā)設計的模塊，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鎖的設計[5]，以專門服務于對于電腦等科技產(chǎn)品了解甚少的老年人，可以設計指紋檢測模塊，然后將其連接到主控制系統(tǒng)上，實現(xiàn)通過指紋來開關門的功能.此外，還可以根據(jù)用戶需要開發(fā)各種特殊用途的模塊[6].

2 混合通信網(wǎng)絡構建

將基于WEB的遠程控制與基于UWB的近距離無線通信控制相結合，提出一種混合式的通信網(wǎng)絡構建模式.其中，遠程控制模塊可以使系統(tǒng)與用戶進行遠程通信，使用戶無論身處何地，都可以實時的監(jiān)控智能家電的運行狀態(tài).

目前有多種遠程通信技術得到發(fā)展，如基于移動通信網(wǎng)絡技術的GPRS、GSM、CDMA等技術[7-8]，但是此類系統(tǒng)需配備一張中國移動的SIM卡，使系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生通信費用，使用的成本較高.WEB服務具有靈活性、可跨平臺性，能智能化識別用戶的身份以及與用戶有關的安全信息，因此具有很高的安全性能.現(xiàn)代家庭中路由器應用已經(jīng)非常普遍，WEB遠程網(wǎng)絡的構建就是以家庭路由器為依托，所以不會產(chǎn)生通訊等費用.其結構圖如圖2所示.

圖2 WEB遠程通信系統(tǒng)結構圖Fig.2 The structure of WEB remote communication system

智能門鎖WEB服務器系統(tǒng)，主要由WEB服務器和保存智能門鎖狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫服務器組成.當收到遠程控制端發(fā)來的調取命令時，WEB服務器系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠程控制端；遠程控制端通過輸入WEB服務器端的IP地址對其進行訪問與遠程遙控.基于王君博士提出的由VC++6.0 SOCKET編程的WEB設計方案[9]，開發(fā)設計了基于智能門鎖的WEB平臺.當需要進行遠程控制時，首先在服務器IP地址中輸入WEB服務端的IP地址.地址檢驗無誤后，操作檢測與控制面板，輸入通信密碼，若密碼錯誤，則不執(zhí)行任何操作；若密碼正確，則STM32控制系統(tǒng)對門鎖開關狀態(tài)進行檢測.需要開關門時，按下“開門”或“關門”按鈕，控制系統(tǒng)就會將命令發(fā)送到STM32主控系統(tǒng)，由其控制執(zhí)行相應操作.

目前常用的無線通信有Bluetooth、IEEE802.11a、UWB等方式.其中，UWB[10]與其他無線通信方式相比，具有抗干擾性強、傳輸速率高、消耗電能少、保密性好等優(yōu)勢，UWB本身的帶寬很寬，在接入上一級網(wǎng)絡的同時，還可以作為下一級網(wǎng)絡的網(wǎng)關，從而可以拓寬傳輸距離.同時，UWB發(fā)射功率小，其發(fā)射功率譜密度對于其他通信功率來說相當于噪聲，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技術雖然在近距離傳輸方面具有較大的優(yōu)勢，但其傳輸距離較短，一般在10m左右.因此，在使用中需要進行多個UWB設備的拓展，也就是UWB定位.最常用的是基于到達時間的TOA定位算法[11]，此算法利用主從機的發(fā)送數(shù)據(jù)延時來計算距離.

假設無線電傳輸速度為υ，主從機之間信息傳輸時間為t，那么兩者之間距離L為

L=υ×t

(1)

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

本文選用最小二乘法，它具有很好的無偏性、有效性、一致性和易于設計與建模，其表達式為

(2)

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

(3)

(4)

(5)

假設有1000組設備需要安裝，利用MATLAB實驗平臺對基于最小二乘法的UWB定位算法進行仿真驗證，數(shù)據(jù)模擬如圖3所示.

(a)真實數(shù)據(jù)輸入

(b)真實數(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)，以此來模擬主從機數(shù)據(jù)傳輸情況.通過MATLAB仿真平臺進行參數(shù)估計，其離散時間模型如式(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；采樣時間為0.08s.測量輸出與模擬輸出的比較如圖4所示.由圖4(b)可以看出，模擬輸出與真實輸出的吻合度達到88.88%.由圖4(a)可知，其吻合度只有34.97%.因此，應用最小二乘法所求模型可以大大提高輸出結果的吻合度.

(a)優(yōu)化處理前

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

4 結束語

本設計采用遠程控制的WEB與近距離無線通信控制的UWB相結合的混合通訊模式，為智能家居門鎖系統(tǒng)的構建提供了有利支撐.一方面，利用不易被截獲的UWB近距離傳輸控制啟動密碼的安全輸入，并結合遠距離控制的WEB通信方式進行通信用戶的身份識別，提高了系統(tǒng)的安全性能；另一方面，利用此混合通信模式，可安全有效地實現(xiàn)開關門操作的遠程遙控；最后，針對UWB傳輸距離較短的問題，采取最小二乘法對其定位算法進行優(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直流無刷電機代替步進電機，并通過轉接板與STM32板相連.將已開發(fā)的上位機通過路由器與WEB遠程控制相連接，IO檢測與滑動變阻器相連，獲取開關門的鎖舌運動狀態(tài).經(jīng)過模擬仿真驗證，系統(tǒng)運行情況良好.

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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)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2014DX009)； 山東理工大學綜合課程改革資助項目(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)