基于LoRa智能锁电路设计与开发

摘要：通过智慧公寓工程实际案例，分析目前LoRa、ZigBee、NB-IoT等主流LPWAN技术指标，说明选用LoRa嵌入公寓电子锁产品的原因。设计出一个典型的32位最小智能锁系统电路，选择了STM32F103RCT6作为主控芯片，包括电源电路、复位电路、时钟电路、调试接口和外围引脚接口，不仅对LoRa通信电路做了探讨，还对智能锁的密码复位、按键触控、语音提示电路等重要配套电路都做了设计探讨。

关键词：智能锁；LoRa；楼宇公寓；物联网

一、前言

物联网技术的应用出现将大大改变人们现有的生活习惯。智慧园区、智慧公寓、智能家居、数据采集等场景通常采用的是短距通信，但对于广范围、远距离的连接，远距离通信技术不可或缺，低功耗广域网的目的就是为了“万物互联”。

二、LPWAN主流技术概述及对比选择

本节主要简单介绍目前使用频率较高的几种技术：LoRa、NB IoT和Zigbee，见表1。

LoRa作为一种无线通信技术，基于Sub-GHz（即频率低于1GHz，27- 960MHz）频段，通过线性调频技术，利用较宽的信号带宽来进行信号传输，而且它还具有比较强的抗衰弱能力，使得LoRa具有功耗低、传输距离远等特性，能够很好地满足智慧城市、智慧家居等领域的要求[1]。

NB-IoT由3GPP负责标准化，基于现有的移动蜂窝网络，利用LTE无线技术，使运营商低成本且高效地布局物联网市场。NB-IoT有以下特点：覆盖广，具有164dB的最大耦合损耗，相比于GPRS高出20dB，覆盖的面积要大100倍；连接大，一个扇区可以支持十万个连接[2]。

Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，专为低功耗、低数据速率和短距离通信设计。" "对比发现LoRa技术传输距离远且可供选择的频段多，相对于NB-IoT，不需要依托运营商，自主权更高些，后期维护成本较低；LoRa信号完全取决于自我部署，信号效果不受制于运营商的基站覆盖能力；对于公寓拐角走廊细长形场景，LoRa优良的信号穿透能力特别适用；LoRa在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3倍～5倍。综上选择基于LoRa技术设计智能锁的通信模块[3-4]。

三、智能锁系统硬件总体设计

（一）主控电路设计

该主控模块最小系统电路为微控制器提供基本的运行环境，以便开发和调试。一个典型的32位最小系统电路包括以下几个关键部分：电源电路、复位电路、时钟电路、调试接口和外围引脚接口。电源电路为微控制器提供稳定的工作电压。STM32F103系列微控制器通常需要3.3V的工作电压，如图1所示。

（二）关键系统电路实现设计

复位电路用于确保微控制器在上电或出现异常情况时能够正常复位。STM32F103最小系统中，通常在复位引脚（NRST）与地之间连接一个电阻（10kΩ）和一个电容（100nF），形成一个简单的上电复位电路。在上电时，复位引脚会暂时被拉低，然后迅速恢复到高电平，触发一次复位过程。此外，NRST引脚还可以连接一个按钮，用于手动复位。

时钟电路为微控制器提供系统时钟信号。STM32F103支持内部和外部时钟源。通常使用一个8MHz的晶振作为外部时钟源，连接到微控制器的HSE引脚（OSC_IN和OSC_OUT）。晶振的两端还需连接两个小电容（通常为22pF），分别接地，以稳定晶振的振荡。时钟信号是微控制器内部各个模块的工作基准，因此，其稳定性和精度直接影响系统的性能。

调试接口用于与开发板和PC连接，本电路采用串口进行调试。STM32F103的串口接口包括TXD（PA9）和RXD（PA10）引脚。调试接口还需要一个3.3V电源引脚和一个GND引脚。通过调试接口，开发者可以利用USB转TTL连接STM32F103上述引脚下载程序、调试代码并监控微控制器的运行状态。复位和调试引脚的合理设计有助于系统的稳定性和易用性。接口示意图如图2所示。

通过这个最小系统电路设计，STM32F103微控制器能够正常运行，并且可以通过串口接口进行调试和开发，为进一步的系统设计和扩展提供了支持。

（三）LoRa通信电路设计

本系统所采用的ATK-LoRa01模块是一款高性能的远距离无线串口通信模块，采用SX1278射频芯片，支持在410MHz至441MHz的ISM频段内32个信道的无线通信。模块设计有6个引脚，包括用于配置和固件升级的MD0和AUX引脚、UART通信的RXD和TXD引脚，以及电源地GND和3.3V至5V宽电压范围的电源VCC。模块的功耗在不同工作模式下有显著差异。例如，在5V供电时，发射模式下最大功耗为118mA （20dBm发射功率），接收模式下为17mA，而在省电模式下最低可降至2.3uA。模块还配备了SMA天线接口，便于连接和更换天线，其紧凑的20mm×36mm尺寸设计，便于集成到各种硬件系统中。此外，模块还支持通过AT指令集进行灵活的配置和调试，以满足不同应用场景的需求，如图3所示。

（四）密码锁解锁电路

SC12B_SSOP24通过多个触摸感应引脚与触摸板连接，这些引脚对应于不同的触摸按键。当用户触摸按键时，电容值发生变化，芯片内部的检测电路会识别这些变化，并将其转换为数字信号。经过处理后的信号被转换为相应的控制信号，通过输出引脚发送到主控单元。这些控制信号通常用于执行开锁、锁定或其他用户定义的操作。SC12B_SSOP24 在智能锁触摸控制电路中起到了核心作用。它不仅能够精确检测用户的触摸操作，还能通过与主控单元的有效通信，实现锁的各种智能功能，如图4所示。

（五）语音提示电路

该语音提示电路主要由以下关键器件组成：JQ8900N语音模块、8002A音频功放芯片，以及ZB25VQ32BSIG存储芯片，如图5所示。

JQ8900N是一款集成了MP3音频解码、语音播放功能的模块，支持多种音频格式文件的播放。8002A是一款音频功放芯片，负责将JQ8900N输出的音频信号进行放大，以驱动扬声器发出语音提示。ZB25VQ32BSIG是一款32Mb容量的SPI Flash存储芯片，用于存储JQ8900N语音模块所需的音频文件。该芯片通过SPI接口与JQ8900N连接，存储的语音数据可以根据需要进行擦写和更新。

当主控MCU发出播放语音提示的指令时，指令通过串口传输给JQ8900N语音模块。JQ8900N从ZB25VQ32BSIG存储芯片中读取相应的音频数据，并将其解码为模拟音频信号。随后，该音频信号被送入8002A音频功放芯片进行放大处理，最终通过扬声器输出清晰的语音提示。

四、结语

以智慧公寓的智能电子锁为基础，分析了LPWAN主流技术的优势，利用技术的自身特点提出基于LoRa的智能锁的设计和实现。

相比于其他的无线传感器网络，楼宇公寓的智能锁通信采用的LoRa有着更强的数据传输能力，而且不依赖运营商信号强弱，具有自主性强、后期维护成本低的特点。本文对LoRa的一些硬件的基本实现提出自己的设计，重点提出通信外围电路的设计实现。随着LPWAN 技术的更新发展，芯片集成度更高地叠加，智能锁的通信会更加顺畅，成本更具竞争力。

参考文献

[1]罗涛.基于LoRa的无线水表远程抄表系统设计[D].南京：南京理工大学，2021.

[2]戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016，40（07）：31-36.

[3]王舜.基于LoRa的多传感器水质监测系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2023.

[4]Hardie M，Hoyle D.Underground Wireless Data Transmission Using 433-MHz LoRa for Agriculture[J].Sensors，2019，19（19）：4232-4232.

作者单位：西安邮电大学

责任编辑：王颖振、杨惠娟