基于BLE Mesh的工業群聯鎖系統的設計

張超

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著工業的快速發展、工廠中所需要的柜體管理需求日益增多，具有電表箱、計量柜、設備機柜，安全柜等常見柜體管理的工業環境日益增加，通常分布在工廠的不同樓層與區域，傳統機械鎖和機械鑰匙由于需要佩戴多把鑰匙。鎖體狀態不能及時上報，同時不能實現管理者遠程給工作人員開鎖等問題。針對這樣的問題，本文設計了一種基于藍牙 Mesh組網的工業群聯鎖系統。在工業環境中，柜體分布相對比較集中，為了實現遠程開關鎖，實時監測鎖具的開關狀態。本系統采用了BLE Mesh組網的方式，將群連鎖，管理人員APP，云平臺等組成一個BLE Mesh組網的系統。最后數據會發送到服務器后臺，從而實現整個系統的智能化管理。手機APP發送開鎖關鎖的消息，不需要直接近距離的發送命令，鎖體接收到開關鎖命令會執行相應操作。所有群連鎖每5分鐘通過消息中繼（relay）的方式向云平臺發送一次鎖體狀態。如果鎖體被強行破壞，會觸發震動傳感器的數據報警，上傳震動數據到服務器后臺。利用BLE Mesh網絡實現低功耗、長距離通信，將終端設備采集的數據傳輸到云服務器。在云服務器進行集中管理，監測鎖體安全的運行狀態。最終實現一種低功耗、長距離的鎖體安全監測系統，能夠很好地和現有的鎖體的實時監測系統一起運行，保證柜體鎖具系統的穩定安全運行。

1 無線傳輸方式的比較

在現在的日常生活中，我們用到的無線通信方式有很多，目前常見的方式有WiFi，Zigbee、4G、NFC等。WiFi的優點就是覆蓋面比較廣，傳輸數據的速度也是比較快的，但是在工業環境中，我們設計的小型化智能設備一般需要考慮到產品的功耗，WiFi的功耗一般都是比較大的。同時技術也是比較復雜的。Zigbee技術也是現在比較成熟的一種通信技術，同時功耗也是比較低，復雜性也是比較簡單，但是我們常用的移動端的設備比如平板，手機，電腦是不具備Zigbee功能的，給我們的工作使用的帶來的很大的局限性，限制了Zigbee在工業日常上的使用。NFC通信具有速度快，安全性高的特點，但是NFC常用的日常使用場景在近場的移動支付，信息識別上，通信的距離一般是厘米級別之內，不適用于較遠距離的控制。4G技術也是我們現在離不開的通信技術之一。但是4G技術需要背后的運營商的流量支持，導致日常使用成本較高。綜合考慮藍牙技術比較適用于我們的工業群聯鎖的使用場景，藍牙是我們現在生活中離不開的日常的通信方式，藍牙耳機，鼠標，鍵盤等已經成為我們生活的必需品，BLE Mesh技術，彌補藍牙通信距離只有十幾米的缺陷，然后通過節點上信息中繼的方式，將接收到的信息發送給自己周邊的節點設備，擴大了藍牙通信的距離，實現了較遠距離的通信控制。同時BLE Mesh的組網方式，在任何一個節點設備損壞的情況下，不影響其他設備的正常通信，提高了組網的穩定性，同時日常我們的移動設備具有藍牙功能了，我們可以通過移動端的設備來發送數據，來控制設備的功能轉換，實綜上所述，在本系統中使用BLE Mesh組網的技術來實現工業群聯鎖的設計。

2 藍牙組網方案

2.1 BLE Mesh組網方案分析

2017年藍牙技術聯盟發布了MESH1.0的藍牙組網技術，與之前的藍牙BR/EDR和低功耗藍牙不同的是，該組網方案打破了以往藍牙技術一對一的，和一對多的連接方案。通過Mesh網絡的relay（中繼）的功能去實現一個多對多的通信方式，如圖1在BLE Mesh網絡中，每一個藍牙設備都是網絡中的一個節點，通過廣播的方式發送消息，無需連接，這樣就能實現消息的發送與傳播，消息通過多次中繼的方式最終到達具有目的地址的節點，每個節點都具有特定的地址，從而實現將消息發送給目標節點藍牙設備。同時如果某個節點出現了故障損壞，整個Mesh組網的其他節點的通信是不受到干擾的，極大程度地提高了整個網絡的魯棒性，通過這樣的方式，突破了之前藍牙因為距離傳輸問題所帶來的不便性，實現了藍牙的遠距離的通信方式。

圖1 BLE Mesh組網結構圖

2.2 群聯鎖Mesh系統的設計

為了適用于工業環境，我們需要在BLE Mesh的基礎上設計出適用于本系統的BLE Mesh組網系統，BLE Mesh中的節點特性比較豐富，為了實現多樣的功能，BLE Mesh提供了四種節點配置特性，分別是低功耗特性節點，friend特性節點跟中繼特性和代理特性，四種特性如表1所示。

表1 BLE Mesh組網中節點的四種特性

本系統中群連鎖采用中繼特性，每個區域范圍內安裝一臺代理特性設備來與手機信息交互。管理員手機中安裝群連鎖控制終端APP,發相應的命令控制特定群連鎖工作，和進行入網配置和進行群聯鎖具的分組處理等操作，在Mesh組網系統中，靠近手機的代理特性節點實現了與手機信息交互的作用。它會將手機發送的消息傳輸到Mesh組網中，使消息能夠在Mesh組網中繼到相應節點，產生開關鎖的動作，同時群連鎖每隔二十分鐘也會自動上報自己的鎖狀態數據到代理特性節點，最終發送到手機和服務器，從而實現遠距離了解柜體開關鎖的狀態，防止出現安全事故。

圖2 群連鎖系統總體框架

2.3 組網的過程

在BLE Mesh組網的一開始，我們需要將所有的節點添加到我們的Mesh組網中去，這樣就能夠實現我們群聯鎖的設備添加，在整個群聯鎖BLE Mesh中，所有的device必須成為網絡中的節點才能夠跟整個網絡中的其他節點通信，如果某一個群連鎖的設備沒有跟其他的設備進行組網，其發送的廣播數據不會被周圍其他節點的藍牙設備接收。建立群連鎖自動組網的過程，需要我們使用安裝手機控制端的APP來進行入網連接，手機打開自己設備上的藍牙，對周圍的設備進行掃描。首先在掃描之前，設備會發起廣播，發起的廣播與常見的藍牙廣播類型不同，設備（ Device）可采用<

圖3 設備組網的過程流程圖

2.4 BLE Mesh的通信協議

為了實現BLE Mesh的開關鎖的控制，我們需要設計一套通信協議，因為在本群連鎖Mesh系統中，我們只涉及控制開關鎖的命令和群聯鎖上報鎖狀位和震動破壞警告，所以通信的命令數據包相對比較簡單，為了實現群連鎖的開關等功能，同時滿足Mesh組網的通信要求，我們設計了如下的數據包格式來實現整個系統的通信。在數據包一開始讀取時我們需要先進行數據匹配，才會進行數據的讀取，每個節點在接收到數據后會先讀取網絡密鑰的值，如果網絡密鑰的值跟自己存儲的值一樣，才會進行后面的數據包讀取，設備標識是為了區分節點特性，前面我們在整個系統中設置了兩種節點特性，我們用0X01和0X02分別代表這兩種設備標識，同時數據包里面會包含數據的發送節點跟接收節點。每個節點接收到數據后，會對比自己的物理地址，如果不是自己的地址，就會把消息中繼給周圍的節點，最終到達目標節點。數據包格式如表2所示。

表2 消息數據包格式

3 系統終端硬件設計

圖4 主控的最小系統電路圖

圖5 群聯鎖硬件系統結構圖

群連鎖主控我們采用的是國產藍牙SOC 富芮坤公司研發的FR8016HA芯片， FR8016集成 32 位 ARM Cortex-3內核、Flash容量為4Mbits，其主要配置信息包括了：支持藍牙 5.0 LE，支持 2M, 1M, 500K, 125K 數據速率；處理器具有12～48MHz；在滿足正常使用的情況下，同時能實現不同應用場景下的主頻切換，FR8016H支持藍牙5.0協議棧，同時滿足向下兼容，同時具備藍牙Mesh組網的協議棧，能夠將每個藍牙設備變成組網的節點角色，在主控的外圍電路中，我們設計了電機驅動模塊來驅動開關鎖，電機驅動芯片我們選用了L9110S電機驅動芯片，這要給motora A和motora B兩個電機腳分別輸入高低電平，就能實現電機的正反轉，從而實現開關鎖。

圖6 鎖具開關狀態檢測模塊設計

圖7 震動傳感器原圖

為了實現對鎖具的狀態實時檢測，從而及時發現忘關鎖的工作事故，本文設計一種鎖具狀態檢電路，當鎖舌閉合時，鎖舌上的磁鐵位于關鎖狀態位1號霍爾傳感器的位置上，從而單片機soc讀取連接IO口的電平變化，讀取值為0，此時鎖具上報數據給服務器，顯示關鎖狀態正常，同時鎖具處于開鎖狀態位2號霍爾傳感器上時，同理相應讀取開鎖狀態位IO口數據就為0，當非0-1，1-0等關鎖跟開鎖的狀態時 候，都是鎖具狀態異常的時候，這是服務器就會提醒管理人員去現場進行查看，從而其實處理這件事情。從而實現了鎖具安全的實時監控和管理。

同時為了防止人為破壞柜體結構，我們在群連鎖上加了一個6軸陀螺儀/加速度傳感器，是實現震動傳感器報警的功能，該芯片采用I2C總線通信的方式與主控連接。來體提供震動報警數據。主控接收到異常震動數據就會將數據上報給服務器后臺，實現有效的安全監控。

4 結束語

通過BLE Mesh組網的技術，很好地解決了藍牙控制的距離較短的問題。實現了遠程開關鎖和消息上報，實現了很好的監測作用，如果發生故障，實時提醒管理人員，具有很好的應用場景和使用價值。