基于NB-IoT技术的运钞箱智慧管理系统设计与实现

孙瑞轩,郝虎全,肖 磊

(河北省自动化研究所有限公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着经济与科技快速发展，新型金融犯罪手段也不断出现，银行在安防方面面临着诸多挑战。国内银行在运钞箱转运流程中，为保证运钞箱安全，一般沿用签字交接、锁眼封条等传统方式，存在着手续流程繁琐、人为主观干预性较强等问题，这些都会对运钞箱的安全性产生不利影响。NB-IoT技术凭借其低功耗、广覆盖和低成本优势特点[1]，已广泛应用于工业、农业、市政、环保、水利水电等行业[2-6]，本文针对运钞箱转运流程实现智能化、数字化监管，利用NB-IoT技术设计了一套运钞箱智慧管理系统。

1 系统总体设计

本文所述运钞箱智慧管理系统，主要由运钞箱状态监测模块、门禁检测模块、信息采集模块、系统管理软件和数据库组成。运钞箱在进行交接过程中，交接人员通过信息采集模块进行身份确认和录入，同时交接人员需确认所交接运钞箱的身份识别码，在人员和运钞箱身份均确认无误后可进行运钞箱的交接；门禁检测模块安装于交接通道中的安全门处，主要包括RFID识别设备和NB-IoT DTU，当运钞箱通过时， RFID识别设备能够识别通过该区域的运钞箱身份识别码，并通过NB-IoT DTU将识别码发送至云服务器；状态监测模块安装于运钞箱内，用于监测运钞箱的开闭状态，该状态数据可通过NB-IoT进行上传；系统管理软件布置于银行系统各运钞箱管理部门，用于对系统数据的操作和显示；系统数据库搭建于云端，实现所有系统数据的存储、分析和传输。

管理系统主要实现日常运钞箱交接的无纸化、数字化操作，同时对于运钞箱异常开启能够及时报警，可以有效提升银行对运钞箱管理的安全性。

2 硬件设计

运钞箱智慧管理系统硬件部分主要包括运钞箱状态监测模块、门禁检测模块和信息采集模块，三类模块分别实现对运钞箱开闭状态、出入库状态和交接人员信息的监测。

2.1 状态监测模块设计

状态监测模块主要由MCU、NB-IoT模块、开关感应器和电源模块组成，该模块安装于运钞箱内部，可实现对运钞箱开闭状态的实时监测和数据无线上传功能。

根据监测模块使用场景和频度，同时考虑模块使用的人性化，避免频繁更换电池，该模块采用低功耗设计，更换电池后可使用3个月以上。监测模块MCU选用MSP430系列MSP430F5529IPNR单片机，该处理器芯片可实现超低功耗：在激活模式下，所有系统时钟激活，8MHz 频率下闪存程序执行时为 290μA/MHz；在待机模式下，供电在3.0V时芯片电流为1.4μA；在关闭模式下，完全RAM保持、电源监视器可用、可以快速唤醒，供电电压为3.0V 时芯片电流为1.1μA。MSP430F5529IPNR处理器芯片最小系统电路原理图如图1所示。

图1 MSP430F5529IPNR最小系统电路原理图

NB-IoT模块选择有人物联网公司的NB73-G模块，该模块可以外置SIM卡槽和NB-IoT天线。该模块具有高覆盖的特性，比LTE提升20dBm增益，在地下车库，深井等场景场景下依然可用。该模块通过USART与单片机通信，初始化过程中设置通信目标服务器及端口等信息即可开始正常工作。NB-IoT模块电路原理图如图2所示。

图2 NB-IoT模块电路原理图

开关感应器主要由开关和磁铁构成，其中，开关部分主要是一个常开型的干簧管；磁铁部分主要是一个内部含有永久磁铁的永磁体，用于提供稳定的磁场。当开关与磁铁间隔非常近，即智慧监测模块处于关闭状态时，开关感应器处于工作状态；而当开关部分与磁铁部分间隔较远，即智慧监测模块处于打开状态时，开关感应器处于关闭状态。该部分电路原理图如图3所示。

图3 开关感应器电路原理图

电源模块选用3.8V锂电池组为监测模块供电，电源模块内部采用662K输入电压转化为合适的电压，662K是一款高精度的稳压芯片，输出电压偏差±2%，最大工作电压：6.0V，当Vin=3.8V且Vout=3.3V时Iout=300mA，可以满足智慧监测模块的供电需求，如图4所示。

图4 电源模块电路原理图

2.2 门禁检测模块设计

门禁检测模块主要包括RFID识别设备和NB-IoT DTU。RFID识别设备采用UHF超高频电子标签一体机，输出功率达至30dBm(可调)，配置12dBi天线，典型识别距离1～5米，工作频率FCC 902～928MHz。本系统中使用RS232接口对RFID识别设备进行参数设置，使用RS485接口将标签数据通过NB-IoT DTU发送至数据库；NB-IoT DTU选用有人物联网公司的USR-NB700 V2产品，该款DTU支持串口数据到网络的双向透传。通过门禁检测模块，运钞箱出入库数据信息将与交接信息自动匹配并上传至服务器数据库，门禁检测模块功能示意图如图5所示。

图5 门禁检测模块功能示意图

2.3 信息采集模块设计

信息采集模块主要包括身份证阅读器、指纹采集器，此模块用于将进行运钞箱派发和收回交接工作的人员信息录入系统并存储至数据库。

3 软件设计

本系统软件部分主要包括数据库和系统应用软件，数据库用于存储系统各项数据并实现与各模块和系统应用软件进行数据交互。

3.1 数据库设计搭建

数据库搭建于云服务器上，具有易于部署、安全性高、可维护性好和显著降低用户使用成本等优势。系统在云服务器中预装了SQL Server 2016，通过Microsoft SQL Server Management Studio可对其进行数据编辑和数据查询等工作。数据处理软件中集成了对数据库的读写操作，可实现数据的实时存储、按需调取数据等功能。

3.2 系统应用软件设计编制

系统应用软件基于B/S架构设计搭建，采用JavaScript语言编制，具有运钞箱数据实时显示、历史报警数据查询、历史交接记录和人员管理等功能，用户可实时观察所有运钞箱的监测数据，有助于其快速判断运钞箱的实时状态并执行相应措施进行处理。系统应用软件主要包含5个功能：出入库管理、人员管理、历史交接记录、运钞箱状态显示和报警信息记录，运钞箱派出和接收时软件工作流程分别如图6、图7所示。

图6 运钞箱派发软件工作流程图

图7 运钞箱接收软件工作流程图

4 结束语

运钞箱作为银行现金流转的重要载体，其在押运转运过程的安全性一直备受重视。本文研发的基于NB-IoT的运钞箱智慧管理系统，充分利用NB-IoT的广覆盖、低功耗和低成本优势，为对运钞箱押运转运流程实现数字化、智能化监管提供了一套有效的解决方案。