基于物聯網的智能家居門鎖聯動系統設計

高緒國

關鍵詞： 智能化 門鎖 物聯網技術 NB-IoT

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0028-04

智能鎖是一種區別于傳統的機械式鎖，它采用了先進的信息技術，將無線、生物技術相融合，使其具有更高的用戶識別、安全性能和管理便捷性。當前市面上常見的智能鎖有電子密碼鎖、生物識別鎖、射頻感應鎖等。目前，人們普遍認為，與常規的機械式門禁相比，安全性能得到了很大的改善，但是，對用戶的口令仍然容易被人窺探，而且其安全性也需要進一步改進；NB-IoT 技術不但解決了傳統機械鎖存在的問題，改善了其安全性能，同時也為其操作和管理帶來了便利，使得其外形更加美觀時尚[1]。所以，研究高穩定性、高可靠性、遠距離、低成本的NB-IoT 技術是非常重要的，但也面臨著極大的挑戰。

1 相關技術概述

1.1 窄帶物聯網概念

NB-IoT 技術是一種新型的網絡技術，能夠在蜂窩網絡中實現低功率器件的數據互聯，也稱為Low-WAN（LPWA）。NB-IoT 可以在更長的等待和有效地接入需要更多的網絡設備上，并且可以實現內部的無線數據接入[2]。

1.2 NB-IoT 的部署方式

該技術支持3 個部署模式：單獨部署、保護帶部署、內部部署。Guard-band 方式：能夠充分發揮LTE 中的邊沿無效波段。內部模塊：LTE 載波之間的任意資源都可以使用。

（1）RF 帶寬180 kHz（上行/下行）（考慮兩邊保護帶，也被描述為200 kHz）。

（2）下行：OFDMA，子載波間隔15 kHz。

（3）上行：SC-FDMA，Single-tone（3.75 kHz/15 kHz），Multi-tone（15 kHz）[3]。

2 基于物聯網的智能家居門鎖聯動系統設計

2.1 設計原理

該智能門鎖通過與全球定位系統（GPS）進行連接，并在RS485 端口上提供其他的探測數據；電子鎖具可以與 GPRS 系統進行通信，可以讓遠程的監控系統知道門禁的具體位置和狀態，還可以發出命令，讓門禁打開，電子鎖具可以根據門禁的情況來判定門禁，并將情況匯報到信息接收處理平臺[4]。圖1 顯示了該體系的構成。

2.2 功能要求

（1）該終端可以利用GPRS 與系統監測平臺進行通信，將設備狀態信息、GPS 定位數據等信息進行報告。

（2）監控平臺可通過GPRS 網絡給終端發送指令進行鎖車/解鎖控制。

（3）在將系統供電電壓偏低報警信息、系統供電電壓、內建電池電壓數據、GPS 位置信息等轉換到內部電池供電之前，將所述系統供電電壓偏低報警信息、所述系統供電電壓、所述內嵌電池電壓數據、GPS位置信息。

2.3 基于物聯網的智能門鎖聯動系統設計

2.3.1 STM32 BC95介紹

BC95 是一款低功耗、高性能的NB-IoT 無線通信系統。它的大小只有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm，可最大程度地適應小型組件的需要，在減少產品體積和降低成本的前提下。BC95 與移動通信的GSM/GPRS 系列M95 模塊相匹配，方便用戶進行快速靈活的產品開發與更新。同時，SMT 芯片技術也使BC95 在復雜的使用場合中有著很高的可靠性[5]。

2.3.2 系統硬件模塊設計

（1）中心控制模塊。

在圖2中給出了中央控制模塊的設計架構。這一功能主要用于監視門禁信息采集的狀態，并對獲得的數據進行一定的處理，或是按照使用者在主機上的運行情況發布相應的控制命令，這個結點就成為了整個網路中的一個協調者。

（2）門鎖狀態采集模塊。

該模塊的主要作用是：利用鎖芯內部的傳感器對鎖芯的開、關狀態進行檢測，用PIC18F4620 進行數據分析，然后將其傳輸到中央控制器；當中央控制單元接收到該消息后，向該單元發出一條確定消息，該消息由CC2420 接收并傳輸到該處理器，這時該信號就會閃動，表示該數據傳輸已經完成。這部分重點介紹了如何實現信號的變換和顯示的電路[6]。

2.3.3 數據傳輸

（1）MAC 層是對上層的資料進行統一的處理，根據前面的說明，MAC 層和上層的服務數據信道只有DTCH，所以沒有任何的數據優先權，也沒有信號和服務的區別。

（2）當上一級的資料傳輸到MAC 層時，在MAC 層的界面會生成一個分組序號識別，MAC 層將這個分組分割后，由MAC PDU 中的SDU（服務數據單位，服務數據單位）子報文中的SN（序號、順序編號）編號識別，SN編號的分組是同一上碼組，SDU 子報文中增加FI 識別以表示SDU 是較高的分組的開頭和結尾，如果FI=1，表示這個SDU 是上一層的分組的結尾，FI=1 表示這個SDU 是一個較高的分組。

3 基于物聯網的智能門鎖聯動系統數據采集

3.1 GPS 數據幀接收和解析

GPS 通信模塊在與物流鎖定期間，通過被動地接受來自于衛星的數據。通過GPS 與各顆衛星的握手數據進行了交互，得到了GPS 與GPS 之間的假距離，并利用該方法求出了GPS 的四大關鍵參數：經度、緯度、高度、時間。通過本身的信號進行分析，得到的交通工具的時間、速度和位置等。GPS 模塊在終端機與車輛進行工作時，將不斷地接受到衛星的導航信息[7]。

3.2 GPRS 遠程數據傳輸

3.2.1 GPRS網絡連接

在SIM900A 模塊初始化之后，GPRS 的網絡接入也就是TCP 接入。TCP 連接提供了一種基于網絡的、可靠的、具有穩定的數據傳送機制，TCP 具有非常復雜的傳送機制，可以確保數據的正確傳送，TCP 中的握手和中斷都是有嚴格的方法的，在數據傳送中，存在超時重傳、滑動窗口、流量控制和TCP 檢查等。GPRS 系統采用UART2 和STM32 處理器進行通信，SIM900 采用AT+CIPSEND 指令，每次傳送1 024 位元。傳輸指令可以在超過1 024 個字節時被反復利用。SIM900 采用UART2實現了對數據的采集和傳輸。

3.2.2 數據幀格式定義

在將數據傳送到站臺時，電子鎖會含有 GPS 的位置和車牌號碼等復雜的信息；所以在與平臺進行數據交換時，必須遵守某種特定的通信規則，使其可以進行正常的數據封裝、傳送和接收。GPS_Data 的數據框包括數據框標記位、電子鎖跟車的經緯度、時間和車輛牌照號。

4 基于物聯網的智能門鎖聯動系統數據采集測試

4.1 通信距離與丟包率測試

丟包率是指沒有接收到的分組和傳輸的總的測試分組的比例。丟包率與通信距離、數據包長度、數據傳輸率等相關，還受到周邊的環境條件的制約。在此基礎上，利用NB-IoT 協調程序與手提計算機進行了串行接口，并將終端的電池電源與協調器組合體組成的網絡進行了比較。經過多次重復測試，平均測試結果見表1。

從實驗的數據來看，在房間里，通信的距離可以達到50 m，而在戶外，則是在140 m 的范圍內。這并不能滿足大規模的樓房和住宅區。因此，此方案還采用了多個路由結點，擴大了通信范圍，同時滿足了小區內智能門禁的分布特征。

4.2 智能門鎖下行數據傳輸測試

網絡中的終端節點在入網之后每3 s 醒來一次詢問其父節點是否有數據需要接收，如果沒有數據需要接收就再次進入休眠狀態，如果有數據就進入接收狀態，待數據接收完畢后進入休眠狀態，這樣周而復始的工作。同時還以30 s 的間隔循環醒來向協調器上報自己的網絡狀態。節點功耗主要包括發送、接收、休眠時消耗的功耗。根據試驗結果，普通使用時，智能門鎖的功耗為160～180 μA，滿足了該模塊的功耗標準。

4.3 智能門鎖上行數據接收測試

在計算機管理系統中預先登記了智能門鎖ID 號碼，也就是增加了一個使用者，使該智能門鎖成為一個法定的網絡結點，可以被納入協調程序所創建的網絡中。在智能門鎖上加上一張合法的房卡，讓其可以順利地開啟。當刷卡時，計算機的管理系統會給出卡號、合法、非法等相關信息。在遇到違法刷卡的情況下，該系統還會自動發出警告。

4.4 數據接收測試

本文選擇100 個結點進行多結點的網路試驗。NB-IoT 網的理論結點數量已達60 000 多個，然而到現在，在實驗室環境下，真正能夠穩定工作的網絡中，其結點能力不足2 000 個。這樣就能處理大多數的無線傳感器網絡。該系統采用NB-IoT 無線模塊和通信面板，實現了對智能門禁的仿真，可利用網路監視軟體對網路中各結點的狀況進行監測。

在對系統進行一星期的網絡試驗后，各終端結點以10 min 為間隔，將一個數據分組作為一個仿真的窗口打開。一般人很難用這種方式刷信用卡。從表格中可以看到，每個結點的丟失率不超過2%，由于每個結點集中在一個屋子里，因此，這個數據量要比實際情況要大得多。因此，這種智能化的門禁控制裝置可以被廣泛地用于大約100 個小區。

5 結語

智能門禁系統是一種新型的智能化住宅系統。隨著社會的發展，在保證個人的財產安全的前提下，如何使門鎖更加便捷和智能化，已經是一個十分重要的課題。NB-IoT 技術是一種新型的網絡技術，能夠實現在蜂窩網絡中的低功率器件的數據互聯。為此，本文選取了一種基于該技術的智能化門禁系統，對其進行了數據的收集與處理，并對其進行了深入的研究。

（1）簡要闡述了窄帶網絡技術，并對其優點和不足進行了比較，并針對智能門禁的需求，給出了相應的解決辦法。

（2）詳細實施系統的設計，其中包含系統硬件設計、數據傳輸設計；最后實現了各模塊之間的數據收集。在STM32 軟件的基礎上，對智能門禁系統進行了分類，包括接收與解析、數據格式、GPRS 遠程數據傳送。

（3）通過試驗和數據的分析，根據上述的設計需求，對智能門的數據進行了數據的收集和接收。