基于NB-IoT和藍牙技術的智能門控系統設計

晉玉劍　吳昌　張俊強　李長磊　韓亭亭

摘 要

本文介紹了基于NB-IoT信號傳輸和近場藍牙BLE技術相結合的智能門控系統，通過智能監控器及傳感器組，實時監測門和鎖具的狀態、箱體內部溫濕度、傾斜、震動、等狀態，監測控制器電量信息，并通過NB-IoT模組將狀態數據實時上傳至物聯網監控平臺。本文對系統架構和硬件電路設計、監控平臺軟件功能等做出詳細的介紹，該系統優勢在于功耗低、實用性強，為行業用戶提供智能便捷的技術服務。

關鍵詞

物聯網;NB-IoT;藍牙BLE;智能監控;低功耗

中圖分類號： TS914.211.7;TN925 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.014

0 引言

隨著電子信息技術的飛速發展，物聯網技術提升到國家戰略高度，研發和應用進程加速并不斷取得實質性進展。物聯網核心技術包括傳感測試技術、網絡通信技術、云計算等，具有廣域覆蓋、大容量、超低功耗和低成本等特點，目前在遠程監控、共享經濟、智慧產業等行業得到了日益廣泛的應用。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）在覆蓋距離、功耗、成本、接入數量等性能上明顯優于4G、5G、NFC、ZigBee、藍牙、Wifi/ WAPI等其它技術，可以實現真正的萬物互聯，具有更加廣闊的應用前景。

在傳統的電力行業和通信行業等應用場景，很多設備箱體位于室外，且距離較遠，其狀態監測和維護主要依賴于傳統的人工巡查和處置，資產安全和管理維護效率難以保障。在儀器控制和資產管理向著智能化、遠程化方向發展，本文提供了遠程NB-IoT廣域網通信技術和近場藍牙BLE5.0技術相結合的智能監控系統方案，為客戶提供更加智能和便捷的服務及技術支持[1]。

1 系統架構

本文主要介紹智能門控系統設計方案，系統包含傳感器組、智能監控器、電子鎖、電源模塊等硬件模塊，以及物聯網監控平臺軟件和藍牙手機APP應用軟件。系統架構如圖1所示。

該系統通過門磁行程開關、溫濕度、傾斜、震動、水浸傳感器，實時監測門和鎖具的狀態、箱體內部溫濕度、傾斜、震動、等狀態，可以監測控制器電量信息，并通過NB-IoT模組將狀態數據實時上傳至物聯網監控平臺。藍牙手機APP通過平臺授權后，與監控器內部的藍牙模塊配對，可以近距離控制打開電子鎖具，也可以通過平臺遠程控制開鎖。當出現非法開門、箱體傾斜、水浸、供電電量過低等異常狀態時，物聯網平臺發出報警信息并通過藍牙手機APP客戶端通知相關人員進行維護[2]。

該系統主要定位服務于室內外箱體和門的監控管理，用以解決光交箱、電力柜、保險柜、安全門、設備間等系統管理和維護的不便。潛在用戶包括：中國移動、中國電信、中國聯通各大通信運營公司、國家電網公司、銀行、建筑、制造廠商等，相比于傳統的機械鎖具，該系統優勢顯而易見：狀態實時監控，遠程授權開鎖，異常狀態報警，以上功能可以切實地解決行業痛點，滿足用戶需求，實現更加智能和便捷的維護管理。與目前市場上的同類產品相比，本系統功能更加完善，且待機實際長，實用性更強[3]。

2 系統設計

2.1 智能監控器硬件電路設計

智能監控器硬件電路根據功能劃分，分為MCU控制電路、NB模組、藍牙模塊等，實現開關、溫濕度、有無傾斜、水浸及電量信息等狀態檢測，同時將以上信息上傳至管理平臺，實現狀態信息的實時監測和遠程控制。各選模塊選型和設計重點關注功耗指標，以滿足現場超長待機的需求。

2.1.1 MCU主控模塊

該系統MCU選用STM32L151CBT6A，供電電壓為DC+ 1.65V～+3.6V。該芯片屬于Contex-M3超低功耗系列，睡眠狀態功耗低至0.28uA，喚醒時間小于8us，滿足該系統性能要求，延長系統工作時間，減少后期維護成本。芯片FLASH為128kb，RAM為32kb，具有SUB2.0、SUART、SPI、I2C等通信資源，滿足數據傳輸需求。電路原理圖如圖2所示。

MCU采用外部16MHz晶振作為系統時鐘，采用外部32.768KHz晶振作為RTC實時時鐘，在系統掉電時可以保持備份寄存器數據和系統時間等。

MCU連接門磁、門鎖開關可以實時監測門和鎖具的狀態，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時間不閉合等問題。連接溫濕度、傾斜、水浸傳感器，監控箱體內部溫濕度、傾斜等狀態。接入供電電壓用于指示控制器電量信息。當以上狀態存在異常時，MCU控制發出報警提示。

MCU外接三種顏色的LED指示燈，指示系統的供電及工作狀態是否正常。

該系統選用容量為8KⅩ8Bits的FRAM芯片MB85 RC64，通過I2C 與MCU進行通信，存儲監控器傳感器組測到的狀態信息和其它異常記錄等。

MCU通過串口方式與藍牙模塊進行通信，藍牙模塊正常處于待機休眠狀態，被喚醒后與外部藍牙手機APP進行配對，接受到APP開鎖指令后傳送至MCU，通過控制信號驅動鎖體內部的電機，實現機械開鎖操作。

2.1.2 藍牙BLE5.0模組

藍牙模塊采用BLE5.0系列HY-40R204I，內部集成TI藍牙芯片CC2640，采用GFSK調制方式，頻率范圍2.402～2.480MHz，供電電壓DC+2.0～3.6V，接收靈敏度為-94dBm。模塊支持透傳模式和直驅模式，分為主機、從機、主從一體三個版本，支持全雙工串口通信。模塊在睡眠模式功耗為3uA，關機模式為0.15 uA，且喚醒響應時間在微秒級別，具有板載IPEX外接天線，傳輸距離可達100米以上，滿足系統現場適用距離。

本文智能監控系統中，藍牙模塊為從機模式，采用UART方式與MCU通信，監控器藍牙模塊總是處于睡眠模式，觸摸鎖體外部的喚醒開關即可喚醒藍牙模塊進入廣播狀態，通過藍牙手機APP搜索到監控器藍牙模塊，進行配對連接成功后，在APP上可進行開鎖操作和工單管理，藍牙模塊接收到指令并通過MCU模塊下達開鎖信號，門鎖接收到DO信號后，實現開鎖控制。

2.1.3 NB-IoT模組

NB-IoT模組采用中國電科天博電子信息科技有限公司自主研發的TB22通信模組。

該模塊內嵌網絡服務協議棧，采用LCC封裝，滿足終端設備小型化需求，同時具有多頻段、超低功耗和超寬溫度范圍等優異性能，目前已成為遠程抄表、共享單車、智慧城市、安防、智能家電、農業和環境監測等物聯網領域的理想選擇。

MCU通過串口方式與NB模組進行通信，結合外置天線和SIM卡，將智能監控器監測到的信息實時發送至物聯網監控平臺，發送的信息格式和時間間隔等參數可以根據現場需求通過程序進行設置。監控平臺可以下發授權權限和開鎖指令等，MCU接收到相關指令后進行相應的控制和操作。

2.2 電子鎖

電子鎖根據現場需求選擇適用型號，采用外采集成的方式完成系統設計，開鎖方式有遠程開鎖，手機APP開鎖兩種模式。本文中主要介紹相關功能和技術指標。電子鎖為無源鎖芯，工作溫度為-40～+80℃，防護等級為IP67，采用DC+3.3V供電，具有開關鎖記錄存儲功能，可以通過LED燈指示工作狀態，具有良好的防潮防腐蝕性能，適用于多塵潮濕等室外復雜環境。

2.3 電源模塊和低功耗設計

系統采用DC+5V鋰亞硫酰氯電池供電，容量16000mAh。在電源輸入端加上過流保護和自恢復保險，設置電壓監測端口，當電量過低時發出報警提示。MCU和藍牙模塊工作電壓為DC+3.3V，使用DC-DC電源轉換模塊XC6504A331MR-G，將電源電壓轉換為DC+3.3V，滿足監控器電路供電需求。當系統正常工作時可進入低功耗休眠模式，設置定時器和鎖體外部觸發喚醒兩種模式結合，電池滿足系統持續工作2年以上。電源模塊電路如圖3所示。

3 物聯網監控平臺軟件

物聯網監控平臺軟件系統設計注重實用性、開放性、安全性、可靠性、高效性、易維護性原則，系統架構為基于J2EE的多層體系結構，結合WEB SERVICE技術，以搭積木式的方式靈活快速地構建Internet/Intranet應用系統，動態地適應需求的變化，開發維護方便，代碼的可重用性和擴展性高[4]。

系統功能主要包括電子地圖、系統管理、報警管理、接入平臺、移動APP等。

系統登陸后，默認顯示地圖，并在地圖上標記每個箱體鎖的位置，點擊每個箱體鎖標識后進行詳情查看，可以看到具體的狀態、信息、報警等內容。

管理員進入系統管理界面，對用戶、部門、權限、角色、進行設置、增加、修改、刪除，可以在系統中記錄菜單操作日志，包括操作菜單、操作用戶、部門、操作的URL、請求方式、操作者的IP地址、操作時間等信息，并設置查詢菜單，方便查詢日志信息。

當狀態異常時，智能監控系統發出報警，在平臺軟件和App上可以看到報警信息，用戶可以通過報警信息對箱體鎖進行處理，并將處理結果通過App反饋到平臺中。在報警定義和服務模塊，可以生產報警處理記錄，并實現自動新增報警的邏輯，有接受信息通知等待處理和定時自動消警等處理模式。確定處理完成后人工選擇狀態為已通知或正常。

接入平臺是本系統的數據中心，包括設備接入、數據處理、數據存儲、數據分析、數據服務等物聯網基本功能。

移動APP推出使用Android和IOS系統適用的不同版本，包括設備詳情、工單管理、開鎖操作、通知推送等功能[5]。

4 小結

該系統設計合理，功能全面且實用，結合藍牙BLE5.0和NB-IoT技術實現近距離控制及信號的遠程傳輸，在功能和技術指標上相比于同類產品，優勢明顯，性價比高，具有良好的市場和應用前景。

參考文獻

[1]何英杰，楊書華等.基于NB-IoT的低功耗智能光交箱門控系統設計[J].無線互聯科技，2019-2（4）：19-20.

[2]謝運洲，NB-IOT技術詳解與行業應用[M].科學出版社：8-30.

[3]張坤鰲，郭澤梅.基于NB-IoT的光交箱管理系統研究與開發[J].計算機技術與發展，2019（11）：211-215.

[4]孫長翔，徐斌，汪文杰，楊連營.基于物聯網的光交箱狀態在線監測系統[J].通訊世界，2015（03）：226-228.

[5]白志帥，穆士留，張峰，趙留.基于BLE技術的智能門控系統[J].自動化與儀表，2017-32（4）：67-71.