基于NB-IoT和藍(lán)牙技術(shù)的智能門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晉玉劍　吳昌　張俊強(qiáng)　李長(zhǎng)磊　韓亭亭

摘 要

本文介紹了基于NB-IoT信號(hào)傳輸和近場(chǎng)藍(lán)牙BLE技術(shù)相結(jié)合的智能門控系統(tǒng)，通過(guò)智能監(jiān)控器及傳感器組，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門和鎖具的狀態(tài)、箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜、震動(dòng)、等狀態(tài)，監(jiān)測(cè)控制器電量信息，并通過(guò)NB-IoT模組將狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)。本文對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和硬件電路設(shè)計(jì)、監(jiān)控平臺(tái)軟件功能等做出詳細(xì)的介紹，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于功耗低、實(shí)用性強(qiáng)，為行業(yè)用戶提供智能便捷的技術(shù)服務(wù)。

關(guān)鍵詞

物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;藍(lán)牙BLE;智能監(jiān)控;低功耗

中圖分類號(hào)： TS914.211.7;TN925 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.014

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程加速并不斷取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括傳感測(cè)試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云計(jì)算等，具有廣域覆蓋、大容量、超低功耗和低成本等特點(diǎn)，目前在遠(yuǎn)程監(jiān)控、共享經(jīng)濟(jì)、智慧產(chǎn)業(yè)等行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）在覆蓋距離、功耗、成本、接入數(shù)量等性能上明顯優(yōu)于4G、5G、NFC、ZigBee、藍(lán)牙、Wifi/ WAPI等其它技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)真正的萬(wàn)物互聯(lián)，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

在傳統(tǒng)的電力行業(yè)和通信行業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景，很多設(shè)備箱體位于室外，且距離較遠(yuǎn)，其狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維護(hù)主要依賴于傳統(tǒng)的人工巡查和處置，資產(chǎn)安全和管理維護(hù)效率難以保障。在儀器控制和資產(chǎn)管理向著智能化、遠(yuǎn)程化方向發(fā)展，本文提供了遠(yuǎn)程N(yùn)B-IoT廣域網(wǎng)通信技術(shù)和近場(chǎng)藍(lán)牙BLE5.0技術(shù)相結(jié)合的智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，為客戶提供更加智能和便捷的服務(wù)及技術(shù)支持[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文主要介紹智能門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)包含傳感器組、智能監(jiān)控器、電子鎖、電源模塊等硬件模塊，以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)軟件和藍(lán)牙手機(jī)APP應(yīng)用軟件。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)通過(guò)門磁行程開(kāi)關(guān)、溫濕度、傾斜、震動(dòng)、水浸傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門和鎖具的狀態(tài)、箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜、震動(dòng)、等狀態(tài)，可以監(jiān)測(cè)控制器電量信息，并通過(guò)NB-IoT模組將狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)。藍(lán)牙手機(jī)APP通過(guò)平臺(tái)授權(quán)后，與監(jiān)控器內(nèi)部的藍(lán)牙模塊配對(duì)，可以近距離控制打開(kāi)電子鎖具，也可以通過(guò)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制開(kāi)鎖。當(dāng)出現(xiàn)非法開(kāi)門、箱體傾斜、水浸、供電電量過(guò)低等異常狀態(tài)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息并通過(guò)藍(lán)牙手機(jī)APP客戶端通知相關(guān)人員進(jìn)行維護(hù)[2]。

該系統(tǒng)主要定位服務(wù)于室內(nèi)外箱體和門的監(jiān)控管理，用以解決光交箱、電力柜、保險(xiǎn)柜、安全門、設(shè)備間等系統(tǒng)管理和維護(hù)的不便。潛在用戶包括：中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通各大通信運(yùn)營(yíng)公司、國(guó)家電網(wǎng)公司、銀行、建筑、制造廠商等，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程授權(quán)開(kāi)鎖，異常狀態(tài)報(bào)警，以上功能可以切實(shí)地解決行業(yè)痛點(diǎn)，滿足用戶需求，實(shí)現(xiàn)更加智能和便捷的維護(hù)管理。與目前市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)功能更加完善，且待機(jī)實(shí)際長(zhǎng)，實(shí)用性更強(qiáng)[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能監(jiān)控器硬件電路設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控器硬件電路根據(jù)功能劃分，分為MCU控制電路、NB模組、藍(lán)牙模塊等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、溫濕度、有無(wú)傾斜、水浸及電量信息等狀態(tài)檢測(cè)，同時(shí)將以上信息上傳至管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。各選模塊選型和設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注功耗指標(biāo)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)超長(zhǎng)待機(jī)的需求。

2.1.1 MCU主控模塊

該系統(tǒng)MCU選用STM32L151CBT6A，供電電壓為DC+ 1.65V～+3.6V。該芯片屬于Contex-M3超低功耗系列，睡眠狀態(tài)功耗低至0.28uA，喚醒時(shí)間小于8us，滿足該系統(tǒng)性能要求，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，減少后期維護(hù)成本。芯片F(xiàn)LASH為128kb，RAM為32kb，具有SUB2.0、SUART、SPI、I2C等通信資源，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。電路原理圖如圖2所示。

MCU采用外部16MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，采用外部32.768KHz晶振作為RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在系統(tǒng)掉電時(shí)可以保持備份寄存器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)間等。

MCU連接門磁、門鎖開(kāi)關(guān)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門和鎖具的狀態(tài)，判斷是否存在非法開(kāi)門、誤開(kāi)門和長(zhǎng)時(shí)間不閉合等問(wèn)題。連接溫濕度、傾斜、水浸傳感器，監(jiān)控箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜等狀態(tài)。接入供電電壓用于指示控制器電量信息。當(dāng)以上狀態(tài)存在異常時(shí)，MCU控制發(fā)出報(bào)警提示。

MCU外接三種顏色的LED指示燈，指示系統(tǒng)的供電及工作狀態(tài)是否正常。

該系統(tǒng)選用容量為8KⅩ8Bits的FRAM芯片MB85 RC64，通過(guò)I2C 與MCU進(jìn)行通信，存儲(chǔ)監(jiān)控器傳感器組測(cè)到的狀態(tài)信息和其它異常記錄等。

MCU通過(guò)串口方式與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊正常處于待機(jī)休眠狀態(tài)，被喚醒后與外部藍(lán)牙手機(jī)APP進(jìn)行配對(duì)，接受到APP開(kāi)鎖指令后傳送至MCU，通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)鎖體內(nèi)部的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)鎖操作。

2.1.2 藍(lán)牙BLE5.0模組

藍(lán)牙模塊采用BLE5.0系列HY-40R204I，內(nèi)部集成TI藍(lán)牙芯片CC2640，采用GFSK調(diào)制方式，頻率范圍2.402～2.480MHz，供電電壓DC+2.0～3.6V，接收靈敏度為-94dBm。模塊支持透?jìng)髂Ｊ胶椭彬?qū)模式，分為主機(jī)、從機(jī)、主從一體三個(gè)版本，支持全雙工串口通信。模塊在睡眠模式功耗為3uA，關(guān)機(jī)模式為0.15 uA，且喚醒響應(yīng)時(shí)間在微秒級(jí)別，具有板載IPEX外接天線，傳輸距離可達(dá)100米以上，滿足系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)適用距離。

本文智能監(jiān)控系統(tǒng)中，藍(lán)牙模塊為從機(jī)模式，采用UART方式與MCU通信，監(jiān)控器藍(lán)牙模塊總是處于睡眠模式，觸摸鎖體外部的喚醒開(kāi)關(guān)即可喚醒藍(lán)牙模塊進(jìn)入廣播狀態(tài)，通過(guò)藍(lán)牙手機(jī)APP搜索到監(jiān)控器藍(lán)牙模塊，進(jìn)行配對(duì)連接成功后，在APP上可進(jìn)行開(kāi)鎖操作和工單管理，藍(lán)牙模塊接收到指令并通過(guò)MCU模塊下達(dá)開(kāi)鎖信號(hào)，門鎖接收到DO信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖控制。

2.1.3 NB-IoT模組

NB-IoT模組采用中國(guó)電科天博電子信息科技有限公司自主研發(fā)的TB22通信模組。

該模塊內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，采用LCC封裝，滿足終端設(shè)備小型化需求，同時(shí)具有多頻段、超低功耗和超寬溫度范圍等優(yōu)異性能，目前已成為遠(yuǎn)程抄表、共享單車、智慧城市、安防、智能家電、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的理想選擇。

MCU通過(guò)串口方式與NB模組進(jìn)行通信，結(jié)合外置天線和SIM卡，將智能監(jiān)控器監(jiān)測(cè)到的信息實(shí)時(shí)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，發(fā)送的信息格式和時(shí)間間隔等參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求通過(guò)程序進(jìn)行設(shè)置。監(jiān)控平臺(tái)可以下發(fā)授權(quán)權(quán)限和開(kāi)鎖指令等，MCU接收到相關(guān)指令后進(jìn)行相應(yīng)的控制和操作。

2.2 電子鎖

電子鎖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求選擇適用型號(hào)，采用外采集成的方式完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)鎖方式有遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，手機(jī)APP開(kāi)鎖兩種模式。本文中主要介紹相關(guān)功能和技術(shù)指標(biāo)。電子鎖為無(wú)源鎖芯，工作溫度為-40～+80℃，防護(hù)等級(jí)為IP67，采用DC+3.3V供電，具有開(kāi)關(guān)鎖記錄存儲(chǔ)功能，可以通過(guò)LED燈指示工作狀態(tài)，具有良好的防潮防腐蝕性能，適用于多塵潮濕等室外復(fù)雜環(huán)境。

2.3 電源模塊和低功耗設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DC+5V鋰亞硫酰氯電池供電，容量16000mAh。在電源輸入端加上過(guò)流保護(hù)和自恢復(fù)保險(xiǎn)，設(shè)置電壓監(jiān)測(cè)端口，當(dāng)電量過(guò)低時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。MCU和藍(lán)牙模塊工作電壓為DC+3.3V，使用DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊XC6504A331MR-G，將電源電壓轉(zhuǎn)換為DC+3.3V，滿足監(jiān)控器電路供電需求。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)可進(jìn)入低功耗休眠模式，設(shè)置定時(shí)器和鎖體外部觸發(fā)喚醒兩種模式結(jié)合，電池滿足系統(tǒng)持續(xù)工作2年以上。電源模塊電路如圖3所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)軟件

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重實(shí)用性、開(kāi)放性、安全性、可靠性、高效性、易維護(hù)性原則，系統(tǒng)架構(gòu)為基于J2EE的多層體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合WEB SERVICE技術(shù)，以搭積木式的方式靈活快速地構(gòu)建Internet/Intranet應(yīng)用系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)地適應(yīng)需求的變化，開(kāi)發(fā)維護(hù)方便，代碼的可重用性和擴(kuò)展性高[4]。

系統(tǒng)功能主要包括電子地圖、系統(tǒng)管理、報(bào)警管理、接入平臺(tái)、移動(dòng)APP等。

系統(tǒng)登陸后，默認(rèn)顯示地圖，并在地圖上標(biāo)記每個(gè)箱體鎖的位置，點(diǎn)擊每個(gè)箱體鎖標(biāo)識(shí)后進(jìn)行詳情查看，可以看到具體的狀態(tài)、信息、報(bào)警等內(nèi)容。

管理員進(jìn)入系統(tǒng)管理界面，對(duì)用戶、部門、權(quán)限、角色、進(jìn)行設(shè)置、增加、修改、刪除，可以在系統(tǒng)中記錄菜單操作日志，包括操作菜單、操作用戶、部門、操作的URL、請(qǐng)求方式、操作者的IP地址、操作時(shí)間等信息，并設(shè)置查詢菜單，方便查詢?nèi)罩拘畔ⅰ?/p>

當(dāng)狀態(tài)異常時(shí)，智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，在平臺(tái)軟件和App上可以看到報(bào)警信息，用戶可以通過(guò)報(bào)警信息對(duì)箱體鎖進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過(guò)App反饋到平臺(tái)中。在報(bào)警定義和服務(wù)模塊，可以生產(chǎn)報(bào)警處理記錄，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)新增報(bào)警的邏輯，有接受信息通知等待處理和定時(shí)自動(dòng)消警等處理模式。確定處理完成后人工選擇狀態(tài)為已通知或正常。

接入平臺(tái)是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，包括設(shè)備接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)等物聯(lián)網(wǎng)基本功能。

移動(dòng)APP推出使用Android和IOS系統(tǒng)適用的不同版本，包括設(shè)備詳情、工單管理、開(kāi)鎖操作、通知推送等功能[5]。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能全面且實(shí)用，結(jié)合藍(lán)牙BLE5.0和NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)近距離控制及信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，在功能和技術(shù)指標(biāo)上相比于同類產(chǎn)品，優(yōu)勢(shì)明顯，性價(jià)比高，具有良好的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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