基于物联网的智能家居门锁联动系统设计

高绪国

关键词： 智能化 门锁 物联网技术 NB-IoT

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0028-04

智能锁是一种区别于传统的机械式锁，它采用了先进的信息技术，将无线、生物技术相融合，使其具有更高的用户识别、安全性能和管理便捷性。当前市面上常见的智能锁有电子密码锁、生物识别锁、射频感应锁等。目前，人们普遍认为，与常规的机械式门禁相比，安全性能得到了很大的改善，但是，对用户的口令仍然容易被人窥探，而且其安全性也需要进一步改进；NB-IoT 技术不但解决了传统机械锁存在的问题，改善了其安全性能，同时也为其操作和管理带来了便利，使得其外形更加美观时尚[1]。所以，研究高稳定性、高可靠性、远距离、低成本的NB-IoT 技术是非常重要的，但也面临着极大的挑战。

1 相关技术概述

1.1 窄带物联网概念

NB-IoT 技术是一种新型的网络技术，能够在蜂窝网络中实现低功率器件的数据互联，也称为Low-WAN（LPWA）。NB-IoT 可以在更长的等待和有效地接入需要更多的网络设备上，并且可以实现内部的无线数据接入[2]。

1.2 NB-IoT 的部署方式

该技术支持3 个部署模式：单独部署、保护带部署、内部部署。Guard-band 方式：能够充分发挥LTE 中的边沿无效波段。内部模块：LTE 载波之间的任意资源都可以使用。

（1）RF 带宽180 kHz（上行/下行）（考虑两边保护带，也被描述为200 kHz）。

（2）下行：OFDMA，子载波间隔15 kHz。

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

2 基于物联网的智能家居门锁联动系统设计

2.1 设计原理

该智能门锁通过与全球定位系统（GPS）进行连接，并在RS485 端口上提供其他的探测数据；电子锁具可以与 GPRS 系统进行通信，可以让远程的监控系统知道门禁的具体位置和状态，还可以发出命令，让门禁打开，电子锁具可以根据门禁的情况来判定门禁，并将情况汇报到信息接收处理平台[4]。图1 显示了该体系的构成。

2.2 功能要求

（1）该终端可以利用GPRS 与系统监测平台进行通信，将设备状态信息、GPS 定位数据等信息进行报告。

（2）监控平台可通过GPRS 网络给终端发送指令进行锁车/解锁控制。

（3）在将系统供电电压偏低报警信息、系统供电电压、内建电池电压数据、GPS 位置信息等转换到内部电池供电之前，将所述系统供电电压偏低报警信息、所述系统供电电压、所述内嵌电池电压数据、GPS位置信息。

2.3 基于物联网的智能门锁联动系统设计

2.3.1 STM32 BC95介绍

BC95 是一款低功耗、高性能的NB-IoT 无线通信系统。它的大小只有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm，可最大程度地适应小型组件的需要，在减少产品体积和降低成本的前提下。BC95 与移动通信的GSM/GPRS 系列M95 模块相匹配，方便用户进行快速灵活的产品开发与更新。同时，SMT 芯片技术也使BC95 在复杂的使用场合中有着很高的可靠性[5]。

2.3.2 系统硬件模块设计

（1）中心控制模块。

在图2中给出了中央控制模块的设计架构。这一功能主要用于监视门禁信息采集的状态，并对获得的数据进行一定的处理，或是按照使用者在主机上的运行情况发布相应的控制命令，这个结点就成为了整个网路中的一个协调者。

（2）门锁状态采集模块。

该模块的主要作用是：利用锁芯内部的传感器对锁芯的开、关状态进行检测，用PIC18F4620 进行数据分析，然后将其传输到中央控制器；当中央控制单元接收到该消息后，向该单元发出一条确定消息，该消息由CC2420 接收并传输到该处理器，这时该信号就会闪动，表示该数据传输已经完成。这部分重点介绍了如何实现信号的变换和显示的电路[6]。

2.3.3 数据传输

（1）MAC 层是对上层的资料进行统一的处理，根据前面的说明，MAC 层和上层的服务数据信道只有DTCH，所以没有任何的数据优先权，也没有信号和服务的区别。

（2）当上一级的资料传输到MAC 层时，在MAC 层的界面会生成一个分组序号识别，MAC 层将这个分组分割后，由MAC PDU 中的SDU（服务数据单位，服务数据单位）子报文中的SN（序号、顺序编号）编号识别，SN编号的分组是同一上码组，SDU 子报文中增加FI 识别以表示SDU 是较高的分组的开头和结尾，如果FI=1，表示这个SDU 是上一层的分组的结尾，FI=1 表示这个SDU 是一個较高的分组。

3 基于物联网的智能门锁联动系统数据采集

3.1 GPS 数据帧接收和解析

GPS 通信模块在与物流锁定期间，通过被动地接受来自于卫星的数据。通过GPS 与各颗卫星的握手数据进行了交互，得到了GPS 与GPS 之间的假距离，并利用该方法求出了GPS 的四大关键参数：经度、纬度、高度、时间。通过本身的信号进行分析，得到的交通工具的时间、速度和位置等。GPS 模块在终端机与车辆进行工作时，将不断地接受到卫星的导航信息[7]。

3.2 GPRS 远程数据传输

3.2.1 GPRS网络连接

在SIM900A 模块初始化之后，GPRS 的网络接入也就是TCP 接入。TCP 连接提供了一种基于网络的、可靠的、具有稳定的数据传送机制，TCP 具有非常复杂的传送机制，可以确保数据的正确传送，TCP 中的握手和中断都是有严格的方法的，在数据传送中，存在超时重传、滑动窗口、流量控制和TCP 检查等。GPRS 系统采用UART2 和STM32 处理器进行通信，SIM900 采用AT+CIPSEND 指令，每次传送1 024 位元。传输指令可以在超过1 024 个字节时被反复利用。SIM900 采用UART2实现了对数据的采集和传输。

3.2.2 数据帧格式定义

在将数据传送到站台时，电子锁会含有 GPS 的位置和车牌号码等复杂的信息；所以在与平台进行数据交换时，必须遵守某种特定的通信规则，使其可以进行正常的数据封装、传送和接收。GPS_Data 的数据框包括数据框标记位、电子锁跟车的经纬度、时间和车辆牌照号。

4 基于物联网的智能门锁联动系统数据采集测试

4.1 通信距离与丢包率测试

丢包率是指没有接收到的分组和传输的总的测试分组的比例。丢包率与通信距离、数据包长度、数据传输率等相关，还受到周边的环境条件的制约。在此基础上，利用NB-IoT 协调程序与手提计算机进行了串行接口，并将终端的电池电源与协调器组合体组成的网络进行了比较。经过多次重复测试，平均测试结果见表1。

从实验的数据来看，在房间里，通信的距离可以达到50 m，而在户外，则是在140 m 的范围内。这并不能满足大规模的楼房和住宅区。因此，此方案还采用了多个路由结点，扩大了通信范围，同时满足了小区内智能门禁的分布特征。

4.2 智能门锁下行数据传输测试

网络中的终端节点在入网之后每3 s 醒来一次询问其父节点是否有数据需要接收，如果没有数据需要接收就再次进入休眠状态，如果有数据就进入接收状态，待数据接收完毕后进入休眠状态，这样周而复始的工作。同时还以30 s 的间隔循环醒来向协调器上报自己的网络状态。节点功耗主要包括发送、接收、休眠时消耗的功耗。根据试验结果，普通使用时，智能门锁的功耗为160～180 μA，满足了该模块的功耗标准。

4.3 智能門锁上行数据接收测试

在计算机管理系统中预先登记了智能门锁ID 号码，也就是增加了一个使用者，使该智能门锁成为一个法定的网络结点，可以被纳入协调程序所创建的网络中。在智能门锁上加上一张合法的房卡，让其可以顺利地开启。当刷卡时，计算机的管理系统会给出卡号、合法、非法等相关信息。在遇到违法刷卡的情况下，该系统还会自动发出警告。

4.4 数据接收测试

本文选择100 个结点进行多结点的网路试验。NB-IoT 网的理论结点数量已达60 000 多个，然而到现在，在实验室环境下，真正能够稳定工作的网络中，其结点能力不足2 000 个。这样就能处理大多数的无线传感器网络。该系统采用NB-IoT 无线模块和通信面板，实现了对智能门禁的仿真，可利用网路监视软体对网路中各结点的状况进行监测。

在对系统进行一星期的网络试验后，各终端结点以10 min 为间隔，将一个数据分组作为一个仿真的窗口打开。一般人很难用这种方式刷信用卡。从表格中可以看到，每个结点的丢失率不超过2%，由于每个结点集中在一个屋子里，因此，这个数据量要比实际情况要大得多。因此，这种智能化的门禁控制装置可以被广泛地用于大约100 个小区。

5 结语

智能门禁系统是一种新型的智能化住宅系统。随着社会的发展，在保证个人的财产安全的前提下，如何使门锁更加便捷和智能化，已经是一个十分重要的课题。NB-IoT 技术是一种新型的网络技术，能够实现在蜂窝网络中的低功率器件的数据互联。为此，本文选取了一种基于该技术的智能化门禁系统，对其进行了数据的收集与处理，并对其进行了深入的研究。

（1）简要阐述了窄带网络技术，并对其优点和不足进行了比较，并针对智能门禁的需求，给出了相应的解决办法。

（2）详细实施系统的设计，其中包含系统硬件设计、数据传输设计；最后实现了各模块之间的数据收集。在STM32 软件的基础上，对智能门禁系统进行了分类，包括接收与解析、数据格式、GPRS 远程数据传送。

（3）通过试验和数据的分析，根据上述的设计需求，对智能门的数据进行了数据的收集和接收。