基于云端的無線智能鎖系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張煥蘭 肖明波

摘要：針對無線智能鎖功耗高、智能監(jiān)控便利性差等問題，提出一種基于433MHz頻段轉(zhuǎn)WiFi技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的智能鎖系統(tǒng)。為了解決系統(tǒng)點(diǎn)對多點(diǎn)通信中互相干擾的問題，433MHz頻段無線組網(wǎng)采用時分多址（TDMA）技術(shù)。門鎖端的相關(guān)信息通過433MHz頻段傳輸?shù)郊衅?，然后轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務(wù)器，以此連接遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：遠(yuǎn)程客戶端能實(shí)現(xiàn)對智能門鎖的實(shí)時智能監(jiān)控，系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠，且有效降低了功耗，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計目的。

關(guān)鍵詞：云端;智能鎖;智能監(jiān)控;時分多址

Design and Implementation of Wireless Intelligent Lock System Based on Cloud

ZHANG Huan?lan， XIAO Ming?bo

（School of Communication Engineering， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：Aiming at the wireless intelligent lock with the high power consumption and low convenience of intelligent monitoring， this paper proposed an intelligent lock system with feature of remote intelligent monitoring through local communication based on 433MHz frequency band and WiFi technology for access to the cloud server. In order to solve the mutual interference problems during multipoint communication of this system， time division multiple access（TDMA） technology was adopted for the 433 MHz frequency band wireless network. The related information of the door lock terminal was transmitted to 433MHz to connect WiFi module through 433 MHz band. Then this WiFi module sent the information to the cloud server to connect the remote client for remote control. Many experiments showed that the remote client can monitor intelligent door lock intelligently in real time. The communication of the system was reliable and stable. Low power consumption was controlled well. The system reached the design requirements.

Key Words：cloud server; intelligent lock; intelligent monitor; TDMA

0?引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對家庭環(huán)境的要求越來越高，智能家居的概念逐漸成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。大多數(shù)智能家居系統(tǒng)由3部分組成：網(wǎng)絡(luò)、控制設(shè)備與家庭自動化，這些設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，形成物聯(lián)網(wǎng)（IOT），物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備之間可以相互通信[1?2]。在智能家居環(huán)境中，控制系統(tǒng)與家庭設(shè)備通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，用戶向控制系統(tǒng)發(fā)送命令，從而對家庭設(shè)備進(jìn)行控制。近年來，由于智能手機(jī)的普及與通信技術(shù)的發(fā)展，通過手機(jī)客戶端即可實(shí)現(xiàn)對家庭的遠(yuǎn)程控制[3]。

智能鎖作為智能家居中的重要部分，具有廣闊的市場前景。無線智能鎖系統(tǒng)常用的一些無線通信技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如藍(lán)牙安全性較高，但傳輸距離較短[4];紅外技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)且傳輸速度快，但傳輸距離同樣較短，且設(shè)備與設(shè)備之間的可視范圍內(nèi)不允許有障礙物遮擋[5];WiFi技術(shù)傳輸速度快、接入方便且安全性較高，但由于需要一直保持在線狀態(tài)，所以功耗高，且信號繞射能力差[6]。由于433MHz頻段為免申請的ISM頻段，基于該頻段研發(fā)的無線模塊具有較多優(yōu)點(diǎn)，如通信距離遠(yuǎn)、功耗低、信號繞射能力強(qiáng)等[7]，可適合智能鎖對于低功耗以及室內(nèi)安裝的需求。因此，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種基于433MHz頻段轉(zhuǎn)WiFi接入云端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的智能鎖系統(tǒng)，并對其進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。

1?系統(tǒng)總體框架設(shè)計

系統(tǒng)主要由4部分組成，如圖1所示，分別為門鎖模塊、433MHz轉(zhuǎn)WiFi模塊（也稱為集中器）、云端服務(wù)器與手機(jī)客戶端。多個門鎖模塊的433MHz無線通信模塊與集中器在433MHz頻段組成了一個局域網(wǎng)，它們將門鎖端的相關(guān)信息通過433MHz頻段上傳到集中器，然后經(jīng)該集中器的WiFi無線通信模塊接入云端服務(wù)器;手機(jī)客戶端可以通過WiFi或3G/4G通信技術(shù)接入云端服務(wù)器，門鎖端上傳的信息可以轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端下發(fā)的指令也能及時轉(zhuǎn)發(fā)到門鎖端。因此，無論使用者在哪里，只要攜帶手機(jī)客戶端，即能實(shí)現(xiàn)對家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時智能監(jiān)控?？紤]到一個集中器所攜帶的門鎖節(jié)點(diǎn)不夠，根據(jù)用戶需求，可以設(shè)置多個集中器，每個集中器擁有一個唯一ID號以接入云端服務(wù)器，但每個集中器設(shè)置頻率不一致，一般相鄰信道間隔設(shè)置為1MHz，以防止同頻之間的通信干擾[8]。

2?功能模塊設(shè)計

2.1?門鎖模塊設(shè)計

門鎖模塊為門鎖實(shí)體部分，如圖2所示，主要包括開鎖模塊即鎖舌控制部分、電源供電模塊與433MHz無線通信模塊等。

（1）主控芯片采用ST公司的STM32F103C8T6單片機(jī)[9]，該微控制器支持2.0～3.6V的電源，具有3個低功耗模式，并且擁有64K字節(jié)的FLASH與高達(dá)20K字節(jié)的SRAM，是一款性價比較高的主控芯片。

（2）鎖舌控制電路采用ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)，控制鎖舌關(guān)閉或開啟。

（3）由于系統(tǒng)需要給433MHz無線通信模塊與電機(jī)驅(qū)動及其它設(shè)備供電，所以電源模塊分兩路輸出直流5V與3.3V電源，并采用4節(jié)1.5V的堿性干電池供電。

（4）警報器采用電磁式蜂鳴器，當(dāng)有人非法開門時發(fā)出警報聲音。

（5）433MHz無線通信模塊采用TI公司的CC1101射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，該芯片具有體積小、功耗低、頻段選擇豐富等特點(diǎn)[10]。鎖體內(nèi)的433MHz無線通信模塊與集中器通信構(gòu)成一條通信鏈路，可使門鎖端與云端服務(wù)器進(jìn)行信息交互。

2.2?433MHz頻段數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

433MHz頻段通信主要是指門鎖端433MHz無線通信模塊與集中器433MHz無線通信模塊之間的交互。

2.2.1?433MHz頻段通信時分多址實(shí)現(xiàn)

由于一個集中器要與多個門鎖端的無線模塊進(jìn)行通信，因而構(gòu)成點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模式[11]。然而，由于無線信道暴露在空氣中，具有共享的特點(diǎn)，所以在該通信模式下，當(dāng)多個門鎖端的無線通信模塊同時發(fā)送數(shù)據(jù)給集中器時，會令相鄰鏈路之間互相影響，從而造成沖突[12]。在比較了幾種常用的多址技術(shù)之后，本系統(tǒng)最終采用時分多址技術(shù)對整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與容納性進(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)時分多址技術(shù)的整體實(shí)現(xiàn)步驟為：首先集中器按周期T廣播信標(biāo)幀，將周期T劃分為N個相等時隙，每個時隙記為?Δt?，將第一個時隙分配給未加入局域網(wǎng)的門鎖終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入網(wǎng)交互，剩下時隙分配給已加入局域網(wǎng)的門鎖終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。門鎖端時分多址技術(shù)通信具體流程如圖3所示。

對于?Δt的大小選擇需要進(jìn)行多次測試。在一個Δt時間內(nèi)要完成一個通信連接與數(shù)據(jù)收發(fā)全過程，Δt?只有大于該過程的實(shí)際所需時間，才能使系統(tǒng)正常通信[13]。在一定信標(biāo)周期內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)容納量變大時，時隙則需要變小，但系統(tǒng)也會隨之變得不穩(wěn)定[14]，所以最好經(jīng)過多次測試之后選擇其中的最優(yōu)值，并且在集中器中選擇合適的門鎖節(jié)點(diǎn)數(shù)量，才能使系統(tǒng)通信更加穩(wěn)定、可靠。

2.2.2?門鎖端433MHz無線通信模塊設(shè)計

門鎖端無線模塊與集中器進(jìn)行通信，首先要判斷其是否加入了該集中器構(gòu)建的局域網(wǎng)內(nèi)，如果還未加入，則向集中器申請加入局域網(wǎng)。門鎖端無線模塊的主要功能是接收集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)而解析執(zhí)行，并按時向集中器上報數(shù)據(jù)。根據(jù)時分多址技術(shù)，節(jié)點(diǎn)在自己的時隙內(nèi)上報數(shù)據(jù)，門鎖端無線模塊工作流程如圖4所示。由于無線門鎖采用電池供電，對功耗控制較嚴(yán)，所以在門鎖端無線模塊工作流程中著重考慮了低功耗要求，通過使STM32單片機(jī)在沒有數(shù)據(jù)幀收發(fā)時進(jìn)入stop低功耗模式，以降低單片機(jī)功耗，從而有效延長系統(tǒng)工作時間。CC1101也設(shè)置了電磁波激活功能（WOR）模式[15]，使其能周期性地由深度休眠狀態(tài)激活，不需要MCU作用即能偵測到數(shù)據(jù)包。

2.2.3?集中器433MHz無線通信模塊設(shè)計

集中器實(shí)現(xiàn)了433MHz 頻段信號轉(zhuǎn)WiFi功能，主要為主控芯片分別通過SPI及UART端口與射頻芯片CC1101及WiFi模塊通信。集中器的433MHz無線通信模塊主要與門鎖端進(jìn)行信息交互，其接收門鎖端的數(shù)據(jù)上傳，也將云端下發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給門鎖端。集中器的433MHz無線模塊工作流程如圖5所示，集中器需要按周期T向外廣播信標(biāo)幀。經(jīng)多次測試，將時隙周期設(shè)置為1 500ms。

2.3?集中器WiFi無線模塊設(shè)計

集中器的主控芯片采用STM32，WiFi模塊采用樂鑫ESP8266 ESP?12F串口轉(zhuǎn)WiFi無線模塊。集中器的WiFi模塊主要實(shí)現(xiàn)接入云端服務(wù)器并與其進(jìn)行信息交互，對云端下發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并傳給集中器的433MHz無線模塊。WiFi模塊需要手機(jī)客戶端的幫助才能接入云端服務(wù)器，通過設(shè)備按鍵進(jìn)行觸發(fā)，STM32收到觸發(fā)信號后發(fā)送一個信號給WiFi模塊，使WiFi模塊工作在AP模式下進(jìn)行監(jiān)聽。手機(jī)客戶端將連接的路由器密碼、SSID、加密方式等參數(shù)發(fā)送給WiFi模塊，使其經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)路由器轉(zhuǎn)接入云端服務(wù)器。手機(jī)客戶端連接集中器并發(fā)送路由器參數(shù)如圖6所示。

2.4?云端服務(wù)器模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的云端服務(wù)器選擇阿里云平臺的云服務(wù)器ECS（Elastic Compute Service），云端服務(wù)器主要由兩大功能模塊組成：集中器設(shè)備信息采集模塊與客戶端命令控制模塊。云端服務(wù)器采用C++類庫網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)[16]，集中器設(shè)備信息采集模塊主要通過socket套接字異步監(jiān)聽指定端口，接收集中器WiFi模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包并解析出IP地址與端口號。集中器上報的數(shù)據(jù)包里還包含每個門鎖的ID號，在云端解析數(shù)據(jù)后，可使手機(jī)客戶端的設(shè)備狀態(tài)得到準(zhǔn)確更新。設(shè)備控制模塊也需要監(jiān)聽端口，接收并解析用戶提交的信息。用戶提交集中器的編號（集中器ID號）與鎖號（即鎖ID號），以明確需要控制的門鎖。云端服務(wù)器主要工作流程如圖7所示。

云端服務(wù)器需要與多個客戶端進(jìn)行通信連接，因此云端服務(wù)器采用多線程工作方式。在多線程工作中可能會出現(xiàn)多個線程爭搶同一資源的情況，導(dǎo)致一些如線程安全方面的問題，所以在本系統(tǒng)中加入互斥鎖（Mutex）機(jī)制以保證線程安全[17]。云端服務(wù)器多線程機(jī)制如圖8所示。

由圖8可見，云端服務(wù)器首先開啟一個主線程用來監(jiān)聽端口信息，其首先創(chuàng)建一個套接字，利用bind（）函數(shù)綁定IP地址與端口，然后調(diào)用listen（）函數(shù)監(jiān)聽端口信息，接收到客戶端連接請求即創(chuàng)建一個子線程與其進(jìn)行交互處理。為了確保線程安全，在線程運(yùn)行時為其加鎖，加鎖采用pthread庫的庫函數(shù)pthread_mutex_lock（），加鎖之后則開始接收連接請求并與之交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該線程執(zhí)行完畢之后即調(diào)用解鎖函數(shù)pthread_mutex_unlock（）釋放鎖，以供其它線程使用。這里的線程可以是集中器或手機(jī)客戶端發(fā)起的連接，并按時間先后順序進(jìn)行連接。

2.5?手機(jī)客戶端模塊設(shè)計

本系統(tǒng)手機(jī)客戶端在Windows 7系統(tǒng)上安裝的Eclipse

編譯環(huán)境下，使用Java語言進(jìn)行開發(fā)[18]。手機(jī)客戶端作為無線智能鎖系統(tǒng)里的遠(yuǎn)程控制終端，需要與云端服務(wù)器建立通信連接（也需調(diào)用socket套接字），將其數(shù)據(jù)發(fā)送給云端服務(wù)器，由云端服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，然后由集中器下發(fā)到門鎖端，并將門鎖端的實(shí)時狀態(tài)上傳到云端服務(wù)器，再由云端服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)客戶端。手機(jī)客戶端還實(shí)現(xiàn)了一個功能，即如2.3節(jié)所述的幫助集中器連接云端服務(wù)器，從而準(zhǔn)確控制該集中器所建立局域網(wǎng)內(nèi)的所有門鎖。手機(jī)客戶端界面設(shè)計如圖9所示。

3?系統(tǒng)性能測試

3.1?門鎖端功耗測試

集中器由于可以放在有外接電源的地方，所以功耗問題不是需要最優(yōu)先考慮的，而門鎖采用電池供電，其功耗是一個必須解決的問題。門鎖端的433MHz無線模塊電流消耗階段主要分為數(shù)據(jù)收發(fā)與低功耗模式階段，由于硬件性能測試不穩(wěn)定[19]，所以本次功耗測試對3個節(jié)點(diǎn)在不同工作模式下分別進(jìn)行3次測試，以查看門鎖端功耗，并根據(jù)測試結(jié)果結(jié)合收發(fā)數(shù)據(jù)所需的平均時間計算出平均消耗電流，得到測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可觀察到門鎖端平均消耗電流基本在200uA左右，而一般1.5V堿性干電池容量大約為1 500mAH（如果是南孚電池則容量更高），從而計算出耗電為200uA的模塊可使用312.5天?？梢姳鞠到y(tǒng)的功耗設(shè)計能較好地滿足需求，用戶可以在使用接近一年之后再更換電池。

3.2?系統(tǒng)整體通信穩(wěn)定度測試

經(jīng)過室內(nèi)的433MHz頻段通信距離測試，得知門鎖

端與集中器的距離最好不要超過20m，通信才能較為穩(wěn)定。所以本系統(tǒng)在進(jìn)行整體通信測試時，將門鎖放置在離集中器不到20m的范圍內(nèi)。

通信測試時，將集中器放在樓道中間固定，在離集中器20m距離范圍內(nèi)放置18個門鎖（12個在房內(nèi)，6個在房外），集中器通過上電初始化接入云端服務(wù)器，門鎖端申請加入集中器構(gòu)建的局域網(wǎng)。使用手機(jī)客戶端發(fā)送開鎖命令，并查看手機(jī)客戶端界面狀態(tài)是否及時更新。對每個門鎖進(jìn)行不定時、不定點(diǎn)（手機(jī)在WiFi下與3/4G下接入云端）的信號發(fā)送（發(fā)送間隔最好不低于3s），總共進(jìn)行開鎖操作1 500次，最后通過丟包率對該系統(tǒng)是否可靠、通信是否穩(wěn)定進(jìn)行直觀判斷[20]。系統(tǒng)整體通信測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，系統(tǒng)整體通信成功率在95%以上，丟包率被限制在5%（100%-成功率）以內(nèi)。由此可見，該系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠，提出的系統(tǒng)方案可行。

4?結(jié)語

本文將433MHz頻段無線組網(wǎng)應(yīng)用于無線智能鎖系統(tǒng)，將433MHz頻段本地?zé)o線組網(wǎng)結(jié)合遠(yuǎn)程客戶端，通過登錄云端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時智能監(jiān)控。經(jīng)系統(tǒng)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)功耗較低、通信穩(wěn)定，可有效實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控目的，具有較好的市場前景。然而，該系統(tǒng)還需進(jìn)行優(yōu)化升級，如增加PC客戶端控制界面、優(yōu)化手機(jī)客戶端界面，改進(jìn)433MHz組網(wǎng)方式使其更加靈活，以進(jìn)一步增加傳輸距離并降低功耗。

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