基于NBIoT的智能門鎖及其管控系統(tǒng)設(shè)計

嚴偉苗 鄒翔 諸葛楊楊 劉瑞

摘 ? 要：針對零星房源對智能門鎖及其配套設(shè)施的安裝有諸多限制條件的現(xiàn)狀，本文設(shè)計制造了一套面向零星房源租賃業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）智能門鎖管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可無線遠距離控制智能門鎖，還可準確管理租戶的相關(guān)信息，有效克服了多區(qū)域零星房源的管控難題。實際項目應(yīng)用表明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，擁有良好的市場應(yīng)用前景和推廣價值。

關(guān)鍵詞：零星房源 ?窄帶物聯(lián)網(wǎng) ?智能門鎖 ?管控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0073-02

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化進程的加快，解決城市低收入人群的住房問題變得尤為緊迫。為緩解住房壓力，多地將本區(qū)域存量商品住房等零星房源納入到公租房租賃管理業(yè)務(wù)中[1]。然而，由于零星房源所在的小區(qū)通常不適合二次施工，原本適用于集中式建設(shè)公租房的智能門鎖已無法直接應(yīng)用，相應(yīng)的智能門禁等管控系統(tǒng)也無法施展其用處。基于此，NB技術(shù)開發(fā)的設(shè)備不再要求用戶自建接入網(wǎng)關(guān)，部署簡單，有效克服了多區(qū)域零星房源智能管控中遇到的施工安裝、遠程控制等難題。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

面向零星房源的NBIoT智能門鎖管控系統(tǒng)主要包括NBIoT智能門鎖、NBIoT基站、NBIoT核心網(wǎng)、NBIoT平臺、門鎖管控平臺以及住房租賃業(yè)務(wù)管理平臺等多個重要組成部分。依照國家和相關(guān)行業(yè)標準及項目特殊使用要求，NBIoT智能門鎖在開發(fā)設(shè)計中采用了PSM（省電模式）來實現(xiàn)低功耗性能[2]。在實際使用中，通過AT指令對相應(yīng)的定時器進行配置，設(shè)計NB模塊休眠時間，達到低功耗目的。

2 ?門鎖硬件設(shè)計

NBIoT智能門鎖硬件選用STM32L431作為主控芯片，外圍硬件電路包括串口電路、射頻識別電路、指紋模塊接口電路、按鍵操作電路、NB模組接口電路、電源電路、電機控制電路、語音報警電路等，整體硬件電路框圖如圖1所示。

STM32L431芯片是一款超低功耗單片機芯片，具備256KB的Flash和64KB的SRAM，最高時鐘工作頻率是80MHz，可有效存儲多組IC/身份證卡片信息、密碼信息、催繳費策略信息以及多種類型的開門報告記錄，同時可高效接收并處理平臺端下發(fā)的各類指令數(shù)據(jù)，選用該款主控芯片可有效應(yīng)對極限情況下的數(shù)據(jù)實時性和準確性要求?？紤]到公租房項目中一戶家庭可能存在多個家庭成員，且還允許多戶合租，這就要求指紋模塊需要保存多個指紋特征數(shù)據(jù)，同時由于公租房租戶多為低收入人群，為保證地區(qū)安全，防止轉(zhuǎn)租轉(zhuǎn)借的現(xiàn)象發(fā)生，指紋模塊必須具備一定的防偽能力。綜合以上因素，選用了SM-66H2半導(dǎo)體指紋模塊，其認假率<0.0001%。語音芯片使用WTN6系列，可超低功耗待機，待機模式下靜態(tài)電流小于5μA，通過IO口控制語音播報。電機驅(qū)動芯片使用NY9M012B，具有低電源及低成本的特性。芯片具有1.5A以上的輸出電流能力，低待機電流為0.1μA，通過LPTIM低功耗定時器控制電機轉(zhuǎn)動。

3 ?門鎖軟件設(shè)計

NB模組與IoT平臺之間的數(shù)據(jù)交互基于CoAP協(xié)議實現(xiàn)，并通過DTLS協(xié)議保障兩者之間的鏈路安全;而NB模組與主控芯片之間則通過UART實現(xiàn)通信，并利用AT指令集協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，整個門鎖嵌入式系統(tǒng)基本遵循層次進行設(shè)計開發(fā)。門鎖在接通電源后即開始初始化時鐘、觸摸按鍵模塊、射頻識別模塊、指紋模塊、NBIOT BC35-G模組等功能模塊。按鍵模塊喚醒/射頻識別模塊喚醒/指紋觸摸喚醒/供電檢測請求時喚醒系統(tǒng)，并進行聯(lián)網(wǎng)通信，隨后進入卡開鎖/密碼開鎖/指紋開鎖等功能模塊。當射頻模塊、按鍵模塊或指紋模塊其中之一被喚醒后，相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程便會啟動，激活NB模組與IoT平臺進行通信，當門鎖既無外部輸入也無平臺側(cè)的指令交互任務(wù)，一旦滿足休眠條件，便會主動進入休眠狀態(tài)。

4 ?門鎖管控平臺設(shè)計

NBIoT智能門鎖管控平臺軟件采用前后分離的設(shè)計方式進行架構(gòu)開發(fā)，前端基于PC瀏覽器進行開發(fā)，通過后臺服務(wù)提供的RESTful統(tǒng)一接口，采用JSON方式完成接口調(diào)用[3]。后臺采用分布式微服務(wù)框架解耦各個內(nèi)部服務(wù)模塊，統(tǒng)一對外提供RESTful接口服務(wù)，處理和存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過各種安全管控手段，與IoT平臺實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)交互、與第三方業(yè)務(wù)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。為提升與IoT平臺之間交互的可靠性和穩(wěn)定性，管控平臺采用啟動一個監(jiān)聽進程的方式進行并發(fā)高效處理，當監(jiān)聽進程收到來自IoT平臺轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備數(shù)據(jù)，首先解析出設(shè)備類型，再根據(jù)該類型啟動相應(yīng)的線程進行處理，并確定是否需要向智能門鎖發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

5 ?項目應(yīng)用

杭州易和網(wǎng)絡(luò)有限公司智慧社區(qū)事業(yè)部研發(fā)團隊應(yīng)杭州住保辦要求，針對零星房源的公共租賃業(yè)務(wù)專門組建了一個基于城域網(wǎng)的智能門鎖管控系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)，通過NBIoT的方式與門鎖進行通信，對入戶門開啟權(quán)限進行控制，實現(xiàn)零散型房源的智能化統(tǒng)一管理。

該套智能門鎖管控系統(tǒng)主要由杭州市住房保障和房產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)、公租房智能門禁管控平臺、電信物聯(lián)網(wǎng)平臺以及NBIoT智能門鎖等重要部分組成。杭州市住房保障和房產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)包含配租、續(xù)租、退租、調(diào)房、換房、延期等復(fù)雜業(yè)務(wù)，而所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都匯聚在中間數(shù)據(jù)庫進行交互。公租房智能門禁管控平臺將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步至本地數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合門鎖協(xié)議將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令數(shù)據(jù)緩存至Redis緩存中，待門鎖喚醒上報數(shù)據(jù)，便將緩存中的指令數(shù)據(jù)即時下發(fā)，經(jīng)電信物聯(lián)網(wǎng)平臺轉(zhuǎn)發(fā)至終端智能門鎖，再按照同一鏈路將執(zhí)行結(jié)果反饋至智能門禁管控平臺。

6 ?結(jié)語

本文設(shè)計制造了一款基于NBIoT的智能門鎖，同時以零星房源的租賃業(yè)務(wù)為項目依托，以電信物聯(lián)網(wǎng)平臺為支撐設(shè)計并實現(xiàn)了一套智能門鎖管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對終端設(shè)備的遠程無線控制，同時也很好地融入了各種業(yè)務(wù)需求。通過實際應(yīng)用，整套系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)正常，運行穩(wěn)定可靠，擁有良好的市場應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 方天啟.公租房退出機制研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 中華人民共和國公安部.電子防盜鎖：GA 374-2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[3] 陳振亞，蔣泰.一種基于以太網(wǎng)的防尾隨電梯門禁控制系統(tǒng)[J].計算機工程與應(yīng)用，2016（22）：232-237.