基于IPv6和LoRa的智能門鎖系統設計

胡乃平，賈浩杰，袁紹正

(青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061)

0 引言

智能鎖經歷了電子鎖、單機智能鎖、無線智能鎖3個階段[1]。第一階段從20世紀末開始，這一階段的鎖不是真正意義上的智能鎖，只是取消了傳統意義上的機械式開鎖，改為NFC刷卡開鎖；第二階段從2010年開始，鎖具上配備了顯示屏，可用密碼、指紋和人臉開鎖；第三階段從2015年開始，將無線通信協議應用于智能鎖上，實現了無線開鎖[2]。

目前，智能門鎖的無線通訊方案，大多數采用藍牙、ZigBee、WiFi等[2]。盛平等將WiFi應用于智能鎖系統中[3]，便于管理，并且可以實現視頻監控，但是WiFi功耗較大，導致充電的頻率較高。應時彥等設計了一種基于ZigBee的聯網型無線門鎖系統[4]，ZigBee功耗較低，但是ZigBee傳輸距離較近。金志剛等研究了藍牙在物聯網智能鎖中的安全機制[5]，藍牙安全性較高且功耗低，但是藍牙通信也存在傳輸距離較近的問題。沙濤等人將NB-IoT應用于公租房背景下的智能鎖[6],NB-IoT功耗極低，傳輸距離遠，但是NB-IoT由運行商運營，使用NB-IoT成本較高。張錚等人將LoRa通信協議應用到大面積漁業環境監測[7]，通信距離長、功耗低并且成本低。

現有智能鎖傳輸方案大多使用IPv4接入網絡，IPv6與IPv4相比，安全性更高[8]且IP地址不會出現匱乏的局面[9]。本文將LoRa與IPv6結合，設計了一種基于LoRa和IPv6的智能鎖系統，該系統具有功耗低、通信距離長、便于管理、安全性高、成本低等優點。

1 系統架構

系統設計采用自頂向下的模塊化思想，將系統分為4個部分：執行層、網絡層、服務層和應用層，圖1所示為系統總體架構。執行層是智能鎖的硬件部分，實現鎖的各種功能；網絡層是LoRa的網關設備，實現執行層和服務層之間的數據通訊；服務層運行在云服務器上，實現業務處理和設備管理；應用層運行在PC和手機終端，實現系統與用戶交互功能。

圖1 系統總體架構

2 系統設計

2.1 執行層

執行層的設計分為硬件和軟件兩部分，硬件設計的關鍵是低功耗設計，核心是控制器的通訊協議的選擇。本系統選用低功耗的STM32系列微控器和LoRa通訊協議。

2.2.1 硬件部分

執行層硬件是基于嵌入式技術設計的門鎖節點，由控制器、LoRa通訊模塊、鍵盤模塊、蜂鳴器模塊和直流電機模塊組成，如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

由于門鎖必須采用電池供電，因此低功耗設計是系統設計的基本要求，通訊是整個系統降低功耗的關鍵。目前低功耗通信協議主要有藍牙、WiFi、ZigBee、NB-IoT和LoRa等[10]，對比情況如表1所示，LoRa與其他通信協議相比功耗低、傳播距離遠、安全性高并且免費[11]，因此本系統選用LoRa通信協議。

表1 LoRa和與其他通信協議對比

執行層控制器的選擇既要考慮低功耗還要考慮對LoRa協議的支持，選用了STM32L151CBU6微控器，該系列微控器功耗低、性價比高、可靠性高。LoRa射頻部分采用基于Semtech SX127x芯片的模塊。

2.2.2 軟件部分

執行層軟件由uVision5進行開發，使用C語言編程。軟件設計必須考慮低功耗設計，讓控制器大部分時間處于休眠狀態。軟件的設計思路是主程序完成系統初始化和設備注冊等功能后，打開中斷后轉入低功耗休眠狀態，系統所有功能通過中斷在中斷服務程序中實現。

主程序流程如圖3所示，主要完成系統初始化、MAC初始化、設備入網和設備注冊后進入到無限循環，在無限循環中將系統設置為低功耗休眠狀態。這樣系統如果沒有中斷產生，就一直處于休眠低功耗狀態，實現最大限度的節能，當有中斷事件發生后，執行中斷服務程序，中斷服務程序執行完后，系統重新進入低功耗狀態。

系統的子程序模塊，主要包括兩部分：指令執行模塊和鍵盤密碼開鎖模塊。

1)執行指令模塊：該模塊功能通過設置每隔0.5秒產生定時器中斷來實現。每隔0.5秒在定時器中斷中啟動門鎖節點設備上的LoRa接收機進行信道活動檢測(CAD)，檢測空中是否有呼叫信號，LoRa接收機檢測完成后產生CADdetected中斷信號。該中斷信號接入微控器，產生外部中斷，在中斷服務程序中，實現執行指令的功能。在CADdetected中斷中，首先要清除定時器中斷，然后將執行層設置為接收數據狀態，接收應用層下發的指令，指令分為4種：”0”，”1”，”2”,或者是六位數字，分別對應開鎖、關鎖、緊急關鎖(蜂鳴器響)和新密碼。開鎖功能執行后，如果與按鍵相連的CPU引腳為輸出模式，則置為輸入模式，恢復鍵盤功能，系統的執行結果發送給服務層后進入低功耗狀態。

2)鍵盤密碼開鎖模塊：鍵盤的“*”鍵接入微控器的外部中斷，按下”*”鍵會觸發外部中斷，開啟10 s定時器，在10 s的時間內， “#”鍵被按下則密碼輸入結束，若輸入密碼正確，執行開鎖并發送鎖狀態給服務層，關閉定時器，程序返回。若輸入密碼錯誤，則蜂鳴器提示，定時器復位，用戶可重新輸入，如果錯誤次數大于5次，則鍵盤鎖死(與按鍵相連的引腳改為輸出模式)，用戶不能再使用密碼開鎖，只能使用APP開鎖。在10 s的時間內，“#”鍵未被按下，程序返回。

2.2 網絡層

網關開發選用HT-M01，基于Semtech SX1301芯片。網關的功能是協議轉換，實現LoRa協議和以太網協議的轉換，用來連接門鎖節點和云服務器。網關結構如圖3所示，網關將門鎖節點上傳的數據通過packet_forwarder服務，使用UDP發送到網關本地的1 700端口上。LoRa-gateway-bridge服務使用UDP從網關本地的1 700端口接收packet_forwarder服務發送的數據，并解析成有效數據，將數據打包成json格式，打包完成之后，LoRa-gateway-bridge服務將打包數據使用MQTT協議[12]從網關通過IPv6地址發布到云服務器中的Mosquitto消息代理服務器，供服務層訂閱。

圖3 網關結構圖

2.3 服務層

服務層一共包含兩部分：LoRa服務器和業務服務器。LoRa服務器負責管理和對接LoRa底層網絡，業務服務器實現整個系統管理和控制功能。

2.3.1 業務服務器

用戶開鎖使用APP簡便快捷，而使用PC對人員信息進行處理更加直觀，因此業務服務器使用混合架構，包含兩部分：一部分是管理端，基于B/S架構實現；前后端都部署在服務器。另一部分是用戶端，基于C/S架構實現，通過手機APP操作。

管理端使用IDEA進行設計開發，功能有權限設置、注冊人員信息修改、宿舍人員信息修改。管理端的后端使用MySQL數據庫存儲信息，并用MyBatis管理數據庫。UI界面使用Element UI進行設計，并使用Layout進行布局，采用Icon、Buton、Form、Avatar、NavMenu、Dropdown、Dialog等組件用于展示數據并與用戶交互。

業務服務器的數據庫由device、device_user、record、user_info、user_password等數據表組成，device、device_user用來存儲設備、鍵盤鎖定狀態和設備所屬用戶的信息，record用來存儲設備開關鎖記錄的信息，user_info、user_password用來存儲注冊用戶的信息和密碼。

服務器運行時監聽是否有應用層傳來的http請求，如果有的話，攔截器進行攔截查看請求頭內攜帶的token是否過期，沒有過期則進行路由匹配，匹配成功之后處理業務，處理完成之后將response(處理結果)返回給前端。業務服務器除了進行邏輯處理之外，還開啟了MQTT協議，使用mqttv3架包，編寫MQTT客戶端與云服務器中的MQTT消息代理服務器Mosquitto連接，方便訂閱和發布消息。

2.3.2 LoRa服務器

LoRa服務器使用的是開源的物聯網服務器，包含網絡服務器和應用服務器兩部分[13]。網絡服務器負責將訂閱的信息匯總并存儲在相應的數據庫中，應用服務器通過GRPC從網絡服務器中讀取數據[16]，并對外提供http、MQTT之類的數據接口。MQTT是基于訂閱/分布模式[14]的一種輕量級物聯網通信協議[15]。部署LoRa服務器之前需要在云服務器上安裝Mosquitto(MQTT消息代理服務器)、PostgreSQL數據庫(存放長期數據)和redis數據庫(存儲短期數據或者臨時數據)。安裝完成之后在網絡服務器和應用服務器的toml配置文件下修改數據庫地址和Mosquitto用戶名、密碼，即可完成LoRa服務器的安裝和配置[17]。

2.4 應用層

應用層負責與用戶交互及數據的呈現，通過圖片、文字等向用戶展示目前的狀態。應用層包括管理端和用戶端兩部分。管理端采用B/S架構,所有軟件在服務端設計，用戶只需瀏覽器即可使用。用戶端基于服務層實現了安卓APP。APP的主要功能有開關鎖、緊急關鎖、查詢記錄、修改密碼。為了刷新門鎖狀態，APP會每隔1s向服務層發送指令，來獲取并更新當前鎖的狀態。

APP和服務器之間采用C/S架構，采用http協議進行通信。APP使用AndroidStudio進行設計開發，界面層和業務邏輯層分開設計，屬于不同的線程，主線程負責頁面的描繪和切換，子線程負責HTTP通信和業務處理。APP登錄成功之后子線程連接服務器，通過HTTP協議向服務器發送指令，接收服務器傳來的門鎖數據，將此數據發送給主線程，主線程根據此數據顯示當前門鎖的狀態。

人機界面設計使用XML進行UI設計。主頁面采用LinearLayout結合RelativeLayout進行布局，并采用Button、TextView、ImageView、ListView等控件展示數據并與用戶進行交互。除ListView外，其他控件的數據均通過靜態加載方式加載，數據存放在資源文件里。ListView用于顯示一周內的開關鎖記錄，數據較多，采用動態加載方式加載數據，數據存放在數據庫中。

3 系統測試

本節在真實環境下對系統進行功能測試、丟包率測試和低功耗測試。

3.1 功能測試

在節點上電時，上發的數據是設備id等信息，下發數據為指令信息。在云服務器上，在命令行中輸入命令sudomosquitto -t "application/123/device/+/tx" -v -u loraroot -P 62374838，來查看Mosquitto數據的日志信息[18]，tx指的是下行數據，可換為rx來查看上行數據。并將”data”對應的數據進行Base64解密，查看數據是否正確。日志信息如圖4所示。將解析的指令與開關鎖狀態進行對照，查看指令與動作是否一致。并且當解析出指令為”2”時，能聽見蜂鳴器發出警報。

圖4 日志信息

用戶每一次開關鎖都會記錄在服務層數據庫。對門鎖進行多次開關鎖操作，通過APP查看一周內的開關鎖記錄，如圖5所示。

圖5 開關鎖記錄

3.2 丟包率測試

每一種通信協議都會產生丟包的風險，特別是長距離通信，環境、障礙物等都會影響通信的效果。本文設計的智能

鎖系統，安裝在室內，因此實例測試的環境選取宿舍樓(11層)，網關安裝在1層，分別對奇數樓層進行了測試。在帶寬和傳輸速率一致的條件下，LoRa擴頻因子使用SF12，一對多下發數據共測試10次，信號強度(RSSI)和丟包率計算公式如(1)和(2)所示：

RSSI= -164+16/15 *PacketRssi[19]

(1)

丟包率=1-接收字節數/發送字節數

(2)

其中:16/15為校正系數，PacketRssi指單個包的信號強度，是收包這段時間內的RSSI的平均值[20]，PacketRssi的值可由串口打印獲得[21]。根據分析測試結果(表2)可知，為了平衡信號強度和丟包率，可在一棟11層高的宿舍樓的中間部分安裝網關來控制整棟樓的門鎖節點。

表2 丟包率測試結果

3.3 低功耗測試

處于執行端的智能鎖節點，由于采用電池供電，因此能耗是關鍵的要素，按照一天正常開關鎖10次，緊急關鎖1次，密碼開鎖1次，0.5 s空中喚醒一次LoRa通訊，其余時間待機，測試結果如表3所示。

表3 電池損耗測試結果(24小時)

4 結束語

本文針對目前大多數智能鎖存在的問題進行了分析，從實際應用出發，結合LoRa通信技術的優勢和特點，將LoRa通信技術應用到智能門鎖上，設計了一種基于LoRa和IPv6的智能鎖系統，將系統劃分為執行層、網絡層、服務層、應用層4個部分，對每一部分使用的關鍵技術和功能進行了詳細的描述。本系統操作簡便、成本低還具備功耗低、通訊距離遠等優點，使用IPv6，安全性更高而且避免出現IPv4地址匱乏的局面。一個網關可以覆蓋一棟樓的監測區域，近200個門鎖節點的網絡規模，1 000 mAh電池可使用1.8年之久，滿足低功耗、低延遲和安全性高的需求。今后的研究工作會將LoRa結合IPv6的模式應用到智慧城市、智慧校園等領域。