基于物聯網及云計算的人工智能鎖無線通信技術研究

張 磊，吳 穎

（1.北京合眾偉奇科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.中原工學院信息商務學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

人工智能鎖分為兩種類型，一種是單獨型獨立門鎖，另一種是有線型智能鎖。單獨型獨立門鎖的安裝相對簡單，只是將指紋等信息儲存在鎖的本地存儲系統中。這種系統不能實時上傳數據，因此安全系數較低。有線型智能鎖通過電纜與主控制設備相連接，將用戶信息錄入到電腦進行用戶識別。人工智能鎖與前臺電腦必須通過聯機工作來識別身份信息，因此這種鎖的安裝較為困難。研究人工智能鎖具有重要的現實意義，在此結合物聯網和云計算提出一種全新的人工智能鎖無線通信技術，通過物聯網技術將人工智能鎖與小區的物業管理重新連接。當人工智能鎖遭到破壞時，物業人員和住戶可在第一時間知曉。

1 基于物聯網及云計算的人工智能鎖無線通信設計

1.1 基于物聯網及云計算的通信方式設計

由于人工智能鎖中存在不同功能的子模塊，且各個功能模塊間不是相互獨立的，因此在設計其通信方式前要明確其相互間的調用關系[1-2]。利用移動終端設備登錄物聯網，通過平臺可調用通信服務為用戶發送消息通知。登錄過程中，需要利用平臺記錄用戶的登錄時間和IP地址等信息，通過安全服務模塊分析安全信息，并給出對應的安全策略，從而做出相應的判斷和處理。

為避免數據混亂和丟失，應在相同的傳輸空間內實現一點與多點的數據聯通。數據丟失等問題多是由于無線通信傳輸過程中數據間發生了碰撞，因此只有做到一對多才能克服上述干擾問題。一對多的數據通信在類似線纜通道內的實現方法包括載波監聽多路訪問和時分復用等。其中，時分復用方法是把時間分割成相同的時間段，再把時間段細化為時隙，是數字通信常用的一種數字通信技術。在滿足定時與同步的條件下，接收端接收到信息，并確保信息間互不干擾，而信息來源是上述分割的時隙傳遞出來的。發送端向多個終端節點發送信號時，發向各終端節點的信號被安排在特定時隙內。由于各終端只能接收特定時隙內的數據，因此在介質中傳播的合路信號會根據時隙分別被終端節點接收。

1.2 基于物聯網及云計算的人工智能鎖通信系統設計

1.2.1 通信硬件設計

MSP430F149作為16位低功耗的單片機，工作電壓為1.8～3.6 V。當主頻為1 MHz，供電電壓為2.2 V時，正常工作電流為280 μA，待機電流為1.6 μA，掉電電流為0.1 μA?，F階段，它依靠自身低功耗和低電壓的優勢獲得了廣泛應用。另外，MSP430F149兼具多時鐘特點，包括主系統時鐘（MCKL）、子系統時鐘（SMCLK）以及輔助系統時鐘（ACLK）3種，與之相匹配的有3種時鐘源，即單片機內部的DCO時鐘、外部高速晶體振蕩器（HSE）以及外部低速晶體振蕩器（LSE）。其中，MCKL的時鐘源3種均可；SMCLK的時鐘源為DCO和HSE；ACLK的時鐘源為LSE，喚醒時間短。單片機從低功耗模式喚醒僅需6 μs，處理能力能力強，支持7種源操作數尋址和4種目的操作數尋址等多種尋址方式，擁有數量眾多的模擬指令和寄存器。主頻為6 MHz時，它的指令周期僅為167 ns，擁有高效的數據處理能力。

1.2.2 通信軟件設計

IAR Embedded Workbench IDE是一款高度集成優化的C/C++編輯器、編譯器以及匯編器，提供工程管理、調試及下載等常用嵌入式軟件開發必備的工具。為適用于市面上大部分的處理器，嵌入式IAR Embedded Workbench推出大量的衍生版本，使得市面上大部分處理器包括8位、16位以及32位的微處理器和微控制器都可以在IAR中找到相應的支持版本。用戶在使用其他處理器開發新項目時，也可以在以前熟悉的環境中進行，大大縮短了開發周期。但是，IAR Embedded Workbench的各個版本并不是互相兼容的，使用時要稍加注意。本設計使用的是IAR Embedded Workbench IDE forMCS-518.10版本。

1.3 人工智能鎖無線聯網通信協議設定

人工智能鎖無限聯網通信協議設定有助于幫助用戶通過移動設備與門鎖建立通信聯系。采用應答式的通信協議類型，將人工智能鎖作為發起指令的一方。通常情況下，人工智能鎖處于“休眠—工作—休眠”的循環狀態中[3]。當人工智能鎖處于工作狀態時，首先使其作為發起指令方將相應的指令發送到基站。其次，由基站將指令發送到用戶的移動設備，當用戶接收到相關指令數據后對其進行分析，并將分析結果反饋到基站。最后，基站將最終的指令結果返回到人工智能鎖。

為提升數據傳輸的安全性和可靠性，采用WAPPSK/AES無線網絡加密方式對傳輸的數據進行特定的加密處理。無線通信數據傳輸模式主要包括透明傳輸和協議傳輸兩種。透明傳輸指將原始數據直接進行傳輸，傳輸過程中未對其做任何處理；協議傳輸指原始數據按照一定的協議格式進行加密，然后傳輸處理過的數據。人工智能鎖無線聯網通信協議分為指令幀和應答幀兩部分。在指令幀和應答幀格式中，幀頭表示為一幀數據的起始點，幀序列表示為一個0～0xFF的循環往復，起始/目的設備ID表示為發送指令的基站或人工智能鎖的實際位置ID，幀尾表示為一幀數據的終止點。數據傳輸過程雖然復雜且數據幀變大，但誤碼率低，能實現數據的精準安全傳輸。

1.4 人工智能鎖服務器集群通信平臺

針對人工智能鎖的服務器集群方式，采用結合物聯網及云計算技術的服務化方案，構建以應用層、數據服務層以及數據層為主要結構的通信平臺。構建的人工智能鎖服務器集群通信平臺與傳統通信平臺相比，在應用層與數據層中添加了數據服務層，架構更加清晰。將人工智能鎖中較為分散的應用功能代碼集中在儀器，并通過數據服務層進行統一化管理，進一步提高了通信代碼的質量，降低了智能鎖相關功能的維護成本。平臺中還增加了對門鎖的遠程控制功能，用戶利用通信平臺可通過移動通信設備遠程控制人工智能鎖，降低了門鎖電流的消耗。當檢測到門鎖的運行參數發生異常變化時，平臺通過數據分析可判斷此時門鎖是否存在非法損壞情況。當檢測到相關問題時，可實時向用戶的移動通信設備發送信息，使用戶在第一時間充分掌握門鎖的狀態并及時做出處理，防止用戶人身安全和財產安全受到侵害。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

為驗證所提的通信方式的實用性，設計對比實驗，并將其與傳統的人工智能鎖的通信方式進行比較。為比較兩種通信方式下人工智能鎖的功耗，選擇某品牌干電池供電類型的門鎖。實驗過程中，為更符合居民的日常生活，保障兩組門鎖的平均電流在220 μA以下。采用有源以太網的方式將門鎖與基站相連，從而減少其他功耗問題對實驗結果的影響。為方便對此通信方式的測試，準備A、B、C、D共4把完全相同的門鎖模擬真實的運行，其中A和B采用提出的無線通信方式（設置為實驗組），C和D采用傳統通信方式（設置為對照組）。

2.2 實驗結果及分析

根據實驗準備完成對比實驗，記錄兩組人工智能鎖在運行過程中接收、發送以及休眠時的電流數據，然后計算出平均通過電流的大小，對比結果如表1所示。

表1 實驗組與對照組實驗結果對比

從表1的實驗數據可以看出，實驗組與對照組的人工智能鎖在正常工作狀態下的平均電流均小于210 μA標準，但實驗組明顯小于對照組，在接收指令、發送指令以及休眠狀態下的電流均小于對照組。對比實驗證明，基于物聯網及云計算的人工智能鎖無線通信方式可以有效降低人工智能鎖的電流消耗，節省更多的電力能源，并進一步提高了電池的使用壽命，在實際應用中具有更高的經濟價值。

3 結 論

通過對人工智能鎖無線通信技術的研究，將物聯網及云計算技術應用于通信過程，不僅可以使用戶通過移動通信設備隨時隨地查看門鎖狀態、進出情況以及用戶的進出記錄等信息，而且可以實現對人工智能鎖的遠程控制，最大程度上方便用戶?；谖锫摼W與云計算的人工智能鎖具備更高的安全性能，當門鎖遭到破壞時，通過物聯網及云計算技術可以第一時間將相關數據信息發送到用戶的移動通信終端，用戶在接收到信息后可立即做出反應，防止損失進一步增加。可見，該通信技術具有良好的市場應用前景和實際應用價值。