一種基于4G Cat1技術(shù)的電子鑰匙系統(tǒng)

王軍偉，姚春良，魯展，黃湘婉，岑悅，柳偉杰

（寧波生久科技有限公司，浙江寧波，315423）

0 引言

由于移動運營商的策略調(diào)整，2/3G清頻退網(wǎng)已成行業(yè)大勢，NB-IOT、4G Cat1、5G等主流網(wǎng)絡(luò)將閃亮登場。對于物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者來說，選擇網(wǎng)絡(luò)是非常重要的事情，但是現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)缺點，2/3G有退網(wǎng)威脅，5G價格太貴、還在推廣階段、網(wǎng)絡(luò)覆蓋小，NB-IOT慢、基站少、信號差、經(jīng)常掉線。而其中，4G Cat1憑借中速率、低延時、廣覆蓋、低功耗、較低成本等特點而被市場看好。4G Cat1全稱為4G LTE UECategory1，是4G通信LTE網(wǎng)絡(luò)下用戶終端類別的一個標準。目前有使用藍牙BLE技術(shù)的智能電子鎖和電子鑰匙，也有使用NBIOT或2/3G無線模塊的電子鑰匙和電子鎖。2/3G無線模塊的電子鑰匙或電子鎖有因移動運行商2/3G清頻退網(wǎng)風(fēng)險；NBIOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋還主要集中在城市，信號還不夠穩(wěn)定，對光交箱、鐵塔等行業(yè)運維管理的電子鎖還不太適用，特別像電子鑰匙這種需要移動的電子設(shè)備，NBIOT就不太適用，網(wǎng)絡(luò)小區(qū)切換造成上網(wǎng)不了或很慢是其致命缺點；使用藍牙BLE技術(shù)的電子鑰匙需要借助移動終端（手機）APP軟件來實現(xiàn)授權(quán)開關(guān)鎖和數(shù)據(jù)收發(fā)，但移動終端（手機）APP是裝在使用者的設(shè)備里，不受監(jiān)控，軟件有可能被破譯，安全有問題，特別應(yīng)用到電力、通訊等安全要求高的行業(yè)，這種技術(shù)和方法有安全隱患。本文回顧了各種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電子鎖系統(tǒng)應(yīng)用的局限性，提出一種基于4G Cat1技術(shù)的電子鑰匙系統(tǒng)，使其主要解決現(xiàn)有同類電子鑰匙需要借助智能終端（手機）APP軟件授權(quán)開鎖、2/3G電子鑰匙無線網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)風(fēng)險等問題；同時具有兼容原有電子鎖開啟方法、通過藍牙開帶藍牙的電子鎖、通過觸點開無源電子鎖芯的電子鎖、通過NFC開啟NFC電子鎖等優(yōu)點。

1 基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)設(shè)計

圖1 是基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)架構(gòu)圖，展示了整個系統(tǒng)開鎖功能流程的實現(xiàn)，管理員可通過USB虛擬串口對鑰匙進行鑰匙配置，設(shè)置上網(wǎng)的IP地址、端口、通訊密鑰和軟件升級功能；管理員通過云服務(wù)器的管理系統(tǒng)授權(quán)電子鑰匙開鎖或安裝任務(wù)；操作員持有授權(quán)鑰匙和NFC授權(quán)身份卡現(xiàn)場完成安裝或開鎖任務(wù)；電子鑰匙自動將開鎖或安裝事件自動上傳到云服務(wù)器；管理員通過管理系統(tǒng)查詢事件。整個授權(quán)過程和事件上報都建立在4G CAT1無線通訊技術(shù)基礎(chǔ)之上。

圖1 基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙設(shè)計

智能電子鑰匙DS915-2有聲光、顯示屏提示，顯示屏選用了OLED真彩屏，菜單方式顯示，通過4個按鍵來操作顯示屏，內(nèi)置4G CAT1模塊EC600,MCU芯片GD32E103等芯片，其電路原理圖如圖2所示。4G CAT1電子鑰匙1具有對無源鎖進行供電通訊、對有電源的鎖進行通訊，鑒權(quán)成功后開鎖，并負責(zé)和物聯(lián)管理平臺2無線網(wǎng)絡(luò)通訊，獲取NFC電子標簽信息等功能，4G CAT1電子鑰匙1包括主芯片MCU電路10、USB充電通訊電路11、4G CAT1無線通訊模塊12、單點供電通訊電路13、藍牙無線通訊電路14、NFC供電通訊電路15、顯示驅(qū)動電路16、顯示屏17、穩(wěn)壓電路18、充電電池19，主芯片MCU電路10通過和4G CAT1無線通訊模塊12、單點供電通訊電路13、藍牙無線通訊電路14、NFC供電通訊電路15電路交互來實現(xiàn)授權(quán)開鎖功能；顯示驅(qū)動電路16、顯示屏17用于顯示4G CAT1電子鑰匙1所需要的一些人機信息；穩(wěn)壓電路18、充電電池19是電源的保證。

圖2 基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)原理圖

4G CAT1無線通訊模塊12采用了移遠通訊公司的EC600,具備中速率、低延時、廣覆蓋、低功耗、封裝緊湊、較低成本、可移動通訊等特點，為4G CAT1電子鑰匙1提供了可靠的移動通訊保障，電子鎖的安裝、開鎖業(yè)務(wù)可以實時和物聯(lián)管理平臺2聯(lián)網(wǎng)，交互信息；主芯片MCU電路10采用的是兆易創(chuàng)新基于ARM Cortex-M4 RISC核的32位MCU芯片GD32E103，主頻120MHZ，可滿足本智能電子鑰匙功能需求。

單點供電通訊電路13通過二線分時共享供電通訊方法對無源鎖芯3供電并讀取鎖信息，通過主芯片MCU電路10鑒權(quán)發(fā)出開鎖指令。二線分時共享供電通訊方法借用了1WIRE的概念，1根電源兼收發(fā)通訊線，另1根為地線，本智能鑰匙將單點觸頭的外殼作為地線，這樣就變成了外形為單點的鑰匙頭，和無源鎖芯3的單點鎖孔配合開鎖。

藍牙無線通訊電路14通過藍牙無線通訊方法和藍牙電子鎖4通訊，鑒權(quán)開鎖。

NFC供電通訊電路15可以讀取NFC電子標簽6等射頻卡或標簽，獲取持卡人信息，經(jīng)物聯(lián)管理平臺2認證是否合法用戶；也可以通過本電路對無源NFC電子鎖5充電并和其無線通訊交互開鎖等工作。

圖3 為基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)功能圖，本系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：與無源鎖芯通信實現(xiàn)開鎖指令、閉鎖指令、讀取鎖具狀態(tài)、初始化鎖；OLED顯示實現(xiàn)電量、時間、任務(wù)查詢、執(zhí)行、充電、上網(wǎng)狀態(tài)指示；4G CAT1直連數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)用戶鑒權(quán)、任務(wù)下發(fā)、事件上傳；NFC實現(xiàn)用戶信息讀取、與NFC鎖通信開鎖；低功耗、開關(guān)機、充電管理實現(xiàn)電子鑰匙休眠時最低功耗，小于1微安電流的消耗，電池電壓監(jiān)測、充電芯片管理。

圖3 基于4G CAT1技術(shù)的智能電子鑰匙系統(tǒng)功能圖

3 結(jié)論

本智能電子鑰匙系統(tǒng)通過4G CAT1無線通訊技術(shù)實現(xiàn)電子鑰匙直連物聯(lián)管理平臺，鑒權(quán)獲取安裝、開鎖任務(wù)等信息來實現(xiàn)實時安裝、開鎖，并將安裝、開鎖事件實時上傳到物聯(lián)管理平臺，無需其他智能終端如手機的協(xié)助；同時具備可以開啟多種鎖具，藍牙鎖具、無源電子鎖芯鎖具、NFC有源無源鎖具，對鎖具的管理可以一把鑰匙統(tǒng)一管理，讓鎖具管理簡單、安全、精準。