基于32F407ZGT的低功耗智能門鎖設計

張譽耀

舟山技師學院，浙江舟山，316011

0 引言

隨著人民的物質生活質量不斷提升，居民對安全的認識和對居住質量的需求日益增加，普通的鑰匙式開鎖方式已不適應社會發(fā)展的需要。智能電子鎖、單機智能鎖、無線智能鎖三大發(fā)展時期到來。智能門鎖由于使用方便，功能強大，安全性好，應用范圍廣泛。目前，智能門鎖系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)不再局限于試驗，它已經(jīng)成為一個成熟的產品，并且一直在更新?lián)Q代和改進。當前的智能門鎖從功能和安全兩個層面著手，相關技術也基本集中在這兩個方向上，但在體系結構的合理和器件的耗電上仍需進一步改進。智能門鎖最早應用在辦公室，它包括智能門鑰卡、發(fā)卡機以及門鎖系統(tǒng)的管理軟件。一般情況下，智能門鎖的無線結點都是由電池供電的，采用適當?shù)牡凸β始夹g來最大限度地提高電池的壽命，這對于用戶體驗和所需成本來說都是非常有益的。HYM32F407ZGT擁有1 MB Flash和192+4 kB SRAM，能夠提供多種內存擴充的內存；在無線通信中，睡眠叫醒機制是目前應用最廣泛、最重要的一種方法，它可以盡量減少無線電頻率的閑置監(jiān)測，從而達到降低網(wǎng)絡能量消耗的效果。針對數(shù)據(jù)吞吐量小、響應速度要求高的智能門鎖系統(tǒng)，利用32F407ZGT平臺對其進行研究。

1 總體設計

1.1 CPU設計

智能門鎖設計采用自頂向下的模塊化思想，將整體設計分為4個部分：執(zhí)行層、網(wǎng)絡層、服務層和應用層，執(zhí)行層是智能鎖的硬件部分，采用HYM32F407ZGT增強型嵌入式MCU工作頻率高達168MHz，具有浮點單元。CPU設計的關鍵是低功耗設計，核心是控制器的通信協(xié)議的選擇。該系列產品采用55nm工藝，具有動態(tài)功耗調整功能，至238μA/MHz的電流消耗，可以支持各種存儲器擴展存儲容量[1]。HYM32F407ZGT具備符合IEEE 1588 v2標準的以太網(wǎng)MAC10/100接口和CMOS照相機接口；共有多達114個I/O口；2個USB OTG；專用音頻PLL和2個全雙工I2S；通信接口多達15個（包括6個UART、3個SPI、3個I2C、2個CAN和1個SDIO）；模擬：2個12位DAC、3個12位24通道的ADC；多達17個定時器，其中12個16和2個32位定時器；可以支持各種存儲器擴展存儲容量；基于模擬電子技術的真隨機數(shù)發(fā)生器HYM32F407ZGT具有1MB Flash和可達192+4kB的SRAM。執(zhí)行層CPU設計是基于嵌入式技術設計的門鎖節(jié)點，由控制器、矩陣鍵盤、蜂鳴器和直流電機組成，如圖1所示。

圖1 CPU內部結構圖

矩陣鍵盤明顯要更加繁瑣，列線由電阻器連接，由單片機的I/O端口構成。蜂鳴器是一種以DC為電源的集成式電子報警機，直流電機的主要性能可以體現(xiàn)在168MHz頻率下，從Flash存儲器執(zhí)行時，HYM32F407ZGT能夠提供210DMIPS處理能力，并且利用ART加速器實現(xiàn)FLASH零等待狀態(tài)。DSP與浮動元件相容，擴展了其應用領域。門鎖設備需要使用電池作為電源，所以在設計時要考慮到低功率的問題，通信是控制系統(tǒng)整體能耗的重要環(huán)節(jié)。執(zhí)行層控制器的選擇既要考慮低功耗還要考慮對lora協(xié)議的支持，選用了32F407ZGT微控器，該系列微控器功耗低、性價比高、可靠性高。服務層架構處由信息采集模塊、信息處理與決策模塊、動作模塊3部分組成，在信息采集時，利用紅外線模塊對鎖眼進行采集，并將其與振動模塊、壓力模塊相結合，以獲取用戶輸入的人機交互信息。所收集到的數(shù)據(jù)首先通過過濾程序傳輸?shù)紿YM32F407ZGT中進行處理和分析，然后把特定的控制信號發(fā)送給操作模塊，以實現(xiàn)相應的操作。用戶端是指用戶應用層，它為用戶提供特定指令和數(shù)據(jù)的操作界面，用戶端經(jīng)由SMS接收層向處理控制層發(fā)送輸入信息，例如修改用戶密碼指令、留言數(shù)據(jù)輸入、報警信息的接收。超級用戶的應用層具有完全的控制權，而一般用戶的客戶端則需要通過超級用戶的許可來獲得相應的控制權限[2]。

1.2 功能設計

功能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(tài)。功能的設計思路是主程序完成系統(tǒng)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(tài)，系統(tǒng)所有功能通過中斷在中斷服務程序中實現(xiàn)。

（1）人機交互。通過將關鍵模塊與OLED LCD屏幕相融合，實現(xiàn)系統(tǒng)安全狀態(tài)、用戶信息、開鎖信息、用戶出入等數(shù)據(jù)的可視化接口。利用鍵盤上的數(shù)據(jù)輸入，可以使GPRS模塊通知內容變更、系統(tǒng)模式設置、模塊參數(shù)變更、用戶資料錄入等功能，并能對狀態(tài)提示做出反應，完成對一般使用者的權限詢問。

（2）遠程報警功能。利用GPRS通信模塊，完成SMS消息的發(fā)送。在發(fā)生非法撬動、損壞或感應到鑰匙沒有被拔出來的時候，32F407ZGT的低功率智能門鎖會向GPRS通信模塊發(fā)出對應的控制信號，GPRS通信模塊收到對應的AT命令，以文字形式發(fā)出警告，從而達到防竊報警的目的。

（3）通信與休眠優(yōu)化設計。利用單片機中斷異常處理算法在不影響基于32F407ZGT的低功耗智能門鎖設計正常運作的前提下進行運行狀態(tài)優(yōu)化調整，關閉未用的輸入/輸出模組。在外部設備沒有被使用的情況下，對每個組件進行了關聯(lián)管理。針對某些外部設備不進行有效的管理，利用串行上位機監(jiān)測其呼叫狀況，設定適當?shù)拈g斷呼叫次數(shù)，圖2顯示了一個狀態(tài)變換的過程。

圖2 各狀態(tài)轉換流程圖

在啟動后，將HYM32F407ZGT的電源設置為可以通過外部寄存器來實現(xiàn)相應的功能，計時器開始計時，如果沒有外界干擾，每5分鐘內喚醒一次，確保門鎖的工作狀態(tài)，如果在外的終端被喚醒，那就開始計時，5分鐘后，門鎖就會恢復到休眠狀態(tài)[3]。

2 休眠喚醒機制優(yōu)化

由于休眠喚醒機制較為重要，本文對其進行一些優(yōu)化處理可以更好地降低功耗。終端把含有信息的幀傳送到網(wǎng)關，網(wǎng)關接收到該包后要返回ACK，這是由于該終端可能在睡眠狀態(tài)，為保證該終端可以接收到回復信息，該網(wǎng)絡持續(xù)地發(fā)出ACK，并在接收到ACK后返回網(wǎng)關，從而停止發(fā)送。在此基礎上，還提供了一個有效的信道估計和沖突再傳輸?shù)姆椒?。每個結點在傳輸之前，首先要探測到一個信道中有沒有無線電，如果沒有，它就發(fā)射一個數(shù)據(jù)包；如果有，就會發(fā)射碰撞，這個發(fā)射節(jié)點會隨著機延后的幾秒鐘重新發(fā)射，如果它還處于繁忙狀態(tài)，那就會再次進行一次隨機延遲，最多只能傳送3次，如果超過3次就會自動被取消。當有反應時限的情況下，使用睡眠叫醒機制中的發(fā)送和接收切換模式，持續(xù)時間設置為最大值，發(fā)送接收循環(huán)的數(shù)量為公式（1）:

式子中，t為終端休眠周期中監(jiān)聽時間，T為休眠時間，終端監(jiān)聽時間片與發(fā)送周期之比為下列式子（3）：

終端休眠周期占空比η為公式（4）：

終端節(jié)點的平均功耗與η有關，η小平均功耗低，終端休眠周期的占空比為公式（5）所示：

3 測試實驗

3.1 實驗準備

在此基礎上，將控制模塊和試驗模塊安裝在32F407ZGT芯片上，根據(jù)協(xié)議中的要求進行驗證，在測試的時候，可以將接口相連，并將數(shù)據(jù)輸出到USB接口上，方便用戶隨時監(jiān)控。該控制器采用與云端相連的方式，在服務器上可以看見控制器的連線訊號。在移動電話上，通過端口設置檢測功能，并將其發(fā)送到用戶端，通過服務器進行發(fā)送，從而實現(xiàn)對門禁的正確切換[4]。門鎖應用參數(shù)設定如下：門鎖應用中不考慮其他機電模塊的電流消耗情況，只考慮無線節(jié)點的電流消耗。一扇門每天開啟20次，如果是人工開啟，則由門鎖節(jié)點發(fā)送狀態(tài)包，并收到 ACK的回復；如果是無線命令打開，則門鎖收到網(wǎng)關的打開命令，并回復ACK，兩者各占一半。一次人工打開時，終端節(jié)點需要發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，一幀ACK一幀響應。由于載波沖突造成的傳輸失效，終端節(jié)點會立刻進入睡眠狀態(tài)，通信失敗率為4.55%。無線結點參數(shù)采用早先測試的組態(tài)參數(shù)，利用已有的測試資料進行計算，而不會因結點延遲而造成的功耗及鄰近干擾。該電池采用了5節(jié) AA模式，南孚聚能環(huán)電池單節(jié)2700 mAh，由于兩根并排，所以在不考慮自身放電系數(shù)的情況下，總電量達到了5400 mAh[5]。

3.2 實驗結果

為了測試該文設計的基于32F407ZGT的低功耗智能門鎖設計的穩(wěn)定性與功耗低等特性，將32F407ZGT的主頻設置為70MHz、35MHz、17MHz、5MHz時，對采用和不采用通信優(yōu)化的門禁裝置進行了電流損失監(jiān)測，并在此基礎上測量了各個開關的響應頻率在非優(yōu)化運行狀態(tài)下及優(yōu)化運行狀態(tài)下的功耗[6]。

從圖3中可以看出，在最大功率70 MHz下，在非最佳工況下初始啟動電流在35～45mA，在充分啟動后處于35～40mA。在最佳工作條件下，初始工作時的平均工作電流在20～22mA，在充分工作后處于22～25mA之間。在最佳工況下，最優(yōu)工況下的電流損失為51.25%，滿足了設計的需要[7]。

圖3 優(yōu)化損耗前后對比

4 結語

基于32F407ZGT的低功耗智能門鎖設計的整體體系結構是將智能門鎖與云網(wǎng)相連，并使其智能化。此方案具有節(jié)約電力能源、降低后期維修費用等優(yōu)點。智能門鎖與功能設計采用無線方式進行互聯(lián)，以達到對用戶的動態(tài)訪問和授權，適用于辦公室環(huán)境。該系統(tǒng)以32F407ZGT型低功率器件為核心，通過與單片機的斷路和繼電器相配合，對外部器件的電源進行了控制，從而達到了對鎖具工作狀況的最優(yōu)設計。經(jīng)試驗驗證，本方案能夠有效方便地對門禁進行控制，同時具有較高的響應效率，運行功耗較低、穩(wěn)定性好。