一种基于4G Cat1技术的电子钥匙系统

王军伟，姚春良，鲁展，黄湘婉，岑悦，柳伟杰

（宁波生久科技有限公司，浙江宁波，315423）

0 引言

由于移动运营商的策略调整，2/3G清频退网已成行业大势，NB-IOT、4G Cat1、5G等主流网络将闪亮登场。对于物联网从业者来说，选择网络是非常重要的事情，但是现在的网络各有优缺点，2/3G有退网威胁，5G价格太贵、还在推广阶段、网络覆盖小，NB-IOT慢、基站少、信号差、经常掉线。而其中，4G Cat1凭借中速率、低延时、广覆盖、低功耗、较低成本等特点而被市场看好。4G Cat1全称为4G LTE UECategory1，是4G通信LTE网络下用户终端类别的一个标准。目前有使用蓝牙BLE技术的智能电子锁和电子钥匙，也有使用NBIOT或2/3G无线模块的电子钥匙和电子锁。2/3G无线模块的电子钥匙或电子锁有因移动运行商2/3G清频退网风险；NBIOT网络覆盖还主要集中在城市，信号还不够稳定，对光交箱、铁塔等行业运维管理的电子锁还不太适用，特别像电子钥匙这种需要移动的电子设备，NBIOT就不太适用，网络小区切换造成上网不了或很慢是其致命缺点；使用蓝牙BLE技术的电子钥匙需要借助移动终端（手机）APP软件来实现授权开关锁和数据收发，但移动终端（手机）APP是装在使用者的设备里，不受监控，软件有可能被破译，安全有问题，特别应用到电力、通讯等安全要求高的行业，这种技术和方法有安全隐患。本文回顾了各种无线联网技术在电子锁系统应用的局限性，提出一种基于4G Cat1技术的电子钥匙系统，使其主要解决现有同类电子钥匙需要借助智能终端（手机）APP软件授权开锁、2/3G电子钥匙无线网络退网风险等问题；同时具有兼容原有电子锁开启方法、通过蓝牙开带蓝牙的电子锁、通过触点开无源电子锁芯的电子锁、通过NFC开启NFC电子锁等优点。

1 基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统设计

图1 是基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统架构图，展示了整个系统开锁功能流程的实现，管理员可通过USB虚拟串口对钥匙进行钥匙配置，设置上网的IP地址、端口、通讯密钥和软件升级功能；管理员通过云服务器的管理系统授权电子钥匙开锁或安装任务；操作员持有授权钥匙和NFC授权身份卡现场完成安装或开锁任务；电子钥匙自动将开锁或安装事件自动上传到云服务器；管理员通过管理系统查询事件。整个授权过程和事件上报都建立在4G CAT1无线通讯技术基础之上。

图1 基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统架构图

2 基于4G CAT1技术的智能电子钥匙设计

智能电子钥匙DS915-2有声光、显示屏提示，显示屏选用了OLED真彩屏，菜单方式显示，通过4个按键来操作显示屏，内置4G CAT1模块EC600,MCU芯片GD32E103等芯片，其电路原理图如图2所示。4G CAT1电子钥匙1具有对无源锁进行供电通讯、对有电源的锁进行通讯，鉴权成功后开锁，并负责和物联管理平台2无线网络通讯，获取NFC电子标签信息等功能，4G CAT1电子钥匙1包括主芯片MCU电路10、USB充电通讯电路11、4G CAT1无线通讯模块12、单点供电通讯电路13、蓝牙无线通讯电路14、NFC供电通讯电路15、显示驱动电路16、显示屏17、稳压电路18、充电电池19，主芯片MCU电路10通过和4G CAT1无线通讯模块12、单点供电通讯电路13、蓝牙无线通讯电路14、NFC供电通讯电路15电路交互来实现授权开锁功能；显示驱动电路16、显示屏17用于显示4G CAT1电子钥匙1所需要的一些人机信息；稳压电路18、充电电池19是电源的保证。

图2 基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统原理图

4G CAT1无线通讯模块12采用了移远通讯公司的EC600,具备中速率、低延时、广覆盖、低功耗、封装紧凑、较低成本、可移动通讯等特点，为4G CAT1电子钥匙1提供了可靠的移动通讯保障，电子锁的安装、开锁业务可以实时和物联管理平台2联网，交互信息；主芯片MCU电路10采用的是兆易创新基于ARM Cortex-M4 RISC核的32位MCU芯片GD32E103，主频120MHZ，可满足本智能电子钥匙功能需求。

单点供电通讯电路13通过二线分时共享供电通讯方法对无源锁芯3供电并读取锁信息，通过主芯片MCU电路10鉴权发出开锁指令。二线分时共享供电通讯方法借用了1WIRE的概念，1根电源兼收发通讯线，另1根为地线，本智能钥匙将单点触头的外壳作为地线，这样就变成了外形为单点的钥匙头，和无源锁芯3的单点锁孔配合开锁。

蓝牙无线通讯电路14通过蓝牙无线通讯方法和蓝牙电子锁4通讯，鉴权开锁。

NFC供电通讯电路15可以读取NFC电子标签6等射频卡或标签，获取持卡人信息，经物联管理平台2认证是否合法用户；也可以通过本电路对无源NFC电子锁5充电并和其无线通讯交互开锁等工作。

图3 为基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统功能图，本系统可实现以下功能：与无源锁芯通信实现开锁指令、闭锁指令、读取锁具状态、初始化锁；OLED显示实现电量、时间、任务查询、执行、充电、上网状态指示；4G CAT1直连数据平台实现用户鉴权、任务下发、事件上传；NFC实现用户信息读取、与NFC锁通信开锁；低功耗、开关机、充电管理实现电子钥匙休眠时最低功耗，小于1微安电流的消耗，电池电压监测、充电芯片管理。

图3 基于4G CAT1技术的智能电子钥匙系统功能图

3 结论

本智能电子钥匙系统通过4G CAT1无线通讯技术实现电子钥匙直连物联管理平台，鉴权获取安装、开锁任务等信息来实现实时安装、开锁，并将安装、开锁事件实时上传到物联管理平台，无需其他智能终端如手机的协助；同时具备可以开启多种锁具，蓝牙锁具、无源电子锁芯锁具、NFC有源无源锁具，对锁具的管理可以一把钥匙统一管理，让锁具管理简单、安全、精准。