基于NBIoT的智能門鎖及其管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)偉苗 鄒翔 諸葛楊楊 劉瑞

摘 ? 要：針對(duì)零星房源對(duì)智能門鎖及其配套設(shè)施的安裝有諸多限制條件的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)制造了一套面向零星房源租賃業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）智能門鎖管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可無(wú)線遠(yuǎn)距離控制智能門鎖，還可準(zhǔn)確管理租戶的相關(guān)信息，有效克服了多區(qū)域零星房源的管控難題。實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用表明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，擁有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：零星房源 ?窄帶物聯(lián)網(wǎng) ?智能門鎖 ?管控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0073-02

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的加快，解決城市低收入人群的住房問(wèn)題變得尤為緊迫。為緩解住房壓力，多地將本區(qū)域存量商品住房等零星房源納入到公租房租賃管理業(yè)務(wù)中[1]。然而，由于零星房源所在的小區(qū)通常不適合二次施工，原本適用于集中式建設(shè)公租房的智能門鎖已無(wú)法直接應(yīng)用，相應(yīng)的智能門禁等管控系統(tǒng)也無(wú)法施展其用處。基于此，NB技術(shù)開(kāi)發(fā)的設(shè)備不再要求用戶自建接入網(wǎng)關(guān)，部署簡(jiǎn)單，有效克服了多區(qū)域零星房源智能管控中遇到的施工安裝、遠(yuǎn)程控制等難題。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

面向零星房源的NBIoT智能門鎖管控系統(tǒng)主要包括NBIoT智能門鎖、NBIoT基站、NBIoT核心網(wǎng)、NBIoT平臺(tái)、門鎖管控平臺(tái)以及住房租賃業(yè)務(wù)管理平臺(tái)等多個(gè)重要組成部分。依照國(guó)家和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目特殊使用要求，NBIoT智能門鎖在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中采用了PSM（省電模式）來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗性能[2]。在實(shí)際使用中，通過(guò)AT指令對(duì)相應(yīng)的定時(shí)器進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)NB模塊休眠時(shí)間，達(dá)到低功耗目的。

2 ?門鎖硬件設(shè)計(jì)

NBIoT智能門鎖硬件選用STM32L431作為主控芯片，外圍硬件電路包括串口電路、射頻識(shí)別電路、指紋模塊接口電路、按鍵操作電路、NB模組接口電路、電源電路、電機(jī)控制電路、語(yǔ)音報(bào)警電路等，整體硬件電路框圖如圖1所示。

STM32L431芯片是一款超低功耗單片機(jī)芯片，具備256KB的Flash和64KB的SRAM，最高時(shí)鐘工作頻率是80MHz，可有效存儲(chǔ)多組IC/身份證卡片信息、密碼信息、催繳費(fèi)策略信息以及多種類型的開(kāi)門報(bào)告記錄，同時(shí)可高效接收并處理平臺(tái)端下發(fā)的各類指令數(shù)據(jù)，選用該款主控芯片可有效應(yīng)對(duì)極限情況下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。考慮到公租房項(xiàng)目中一戶家庭可能存在多個(gè)家庭成員，且還允許多戶合租，這就要求指紋模塊需要保存多個(gè)指紋特征數(shù)據(jù)，同時(shí)由于公租房租戶多為低收入人群，為保證地區(qū)安全，防止轉(zhuǎn)租轉(zhuǎn)借的現(xiàn)象發(fā)生，指紋模塊必須具備一定的防偽能力。綜合以上因素，選用了SM-66H2半導(dǎo)體指紋模塊，其認(rèn)假率<0.0001%。語(yǔ)音芯片使用WTN6系列，可超低功耗待機(jī)，待機(jī)模式下靜態(tài)電流小于5μA，通過(guò)IO口控制語(yǔ)音播報(bào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使用NY9M012B，具有低電源及低成本的特性。芯片具有1.5A以上的輸出電流能力，低待機(jī)電流為0.1μA，通過(guò)LPTIM低功耗定時(shí)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 ?門鎖軟件設(shè)計(jì)

NB模組與IoT平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互基于CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)DTLS協(xié)議保障兩者之間的鏈路安全;而NB模組與主控芯片之間則通過(guò)UART實(shí)現(xiàn)通信，并利用AT指令集協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，整個(gè)門鎖嵌入式系統(tǒng)基本遵循層次進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。門鎖在接通電源后即開(kāi)始初始化時(shí)鐘、觸摸按鍵模塊、射頻識(shí)別模塊、指紋模塊、NBIOT BC35-G模組等功能模塊。按鍵模塊喚醒/射頻識(shí)別模塊喚醒/指紋觸摸喚醒/供電檢測(cè)請(qǐng)求時(shí)喚醒系統(tǒng)，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，隨后進(jìn)入卡開(kāi)鎖/密碼開(kāi)鎖/指紋開(kāi)鎖等功能模塊。當(dāng)射頻模塊、按鍵模塊或指紋模塊其中之一被喚醒后，相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程便會(huì)啟動(dòng)，激活NB模組與IoT平臺(tái)進(jìn)行通信，當(dāng)門鎖既無(wú)外部輸入也無(wú)平臺(tái)側(cè)的指令交互任務(wù)，一旦滿足休眠條件，便會(huì)主動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4 ?門鎖管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

NBIoT智能門鎖管控平臺(tái)軟件采用前后分離的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行架構(gòu)開(kāi)發(fā)，前端基于PC瀏覽器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)后臺(tái)服務(wù)提供的RESTful統(tǒng)一接口，采用JSON方式完成接口調(diào)用[3]。后臺(tái)采用分布式微服務(wù)框架解耦各個(gè)內(nèi)部服務(wù)模塊，統(tǒng)一對(duì)外提供RESTful接口服務(wù)，處理和存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)各種安全管控手段，與IoT平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)交互、與第三方業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。為提升與IoT平臺(tái)之間交互的可靠性和穩(wěn)定性，管控平臺(tái)采用啟動(dòng)一個(gè)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程的方式進(jìn)行并發(fā)高效處理，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程收到來(lái)自IoT平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備數(shù)據(jù)，首先解析出設(shè)備類型，再根據(jù)該類型啟動(dòng)相應(yīng)的線程進(jìn)行處理，并確定是否需要向智能門鎖發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

5 ?項(xiàng)目應(yīng)用

杭州易和網(wǎng)絡(luò)有限公司智慧社區(qū)事業(yè)部研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)杭州住保辦要求，針對(duì)零星房源的公共租賃業(yè)務(wù)專門組建了一個(gè)基于城域網(wǎng)的智能門鎖管控系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)NBIoT的方式與門鎖進(jìn)行通信，對(duì)入戶門開(kāi)啟權(quán)限進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)零散型房源的智能化統(tǒng)一管理。

該套智能門鎖管控系統(tǒng)主要由杭州市住房保障和房產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)、公租房智能門禁管控平臺(tái)、電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及NBIoT智能門鎖等重要部分組成。杭州市住房保障和房產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)包含配租、續(xù)租、退租、調(diào)房、換房、延期等復(fù)雜業(yè)務(wù)，而所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都匯聚在中間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。公租房智能門禁管控平臺(tái)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合門鎖協(xié)議將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令數(shù)據(jù)緩存至Redis緩存中，待門鎖喚醒上報(bào)數(shù)據(jù)，便將緩存中的指令數(shù)據(jù)即時(shí)下發(fā)，經(jīng)電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至終端智能門鎖，再按照同一鏈路將執(zhí)行結(jié)果反饋至智能門禁管控平臺(tái)。

6 ?結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制造了一款基于NBIoT的智能門鎖，同時(shí)以零星房源的租賃業(yè)務(wù)為項(xiàng)目依托，以電信物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為支撐設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套智能門鎖管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程無(wú)線控制，同時(shí)也很好地融入了各種業(yè)務(wù)需求。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，整套系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，擁有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 方天啟.公租房退出機(jī)制研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 中華人民共和國(guó)公安部.電子防盜鎖：GA 374-2019[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[3] 陳振亞，蔣泰.一種基于以太網(wǎng)的防尾隨電梯門禁控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2016（22）：232-237.