基于BLE Mesh的工業(yè)群聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計

張超

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展、工廠中所需要的柜體管理需求日益增多，具有電表箱、計量柜、設備機柜，安全柜等常見柜體管理的工業(yè)環(huán)境日益增加，通常分布在工廠的不同樓層與區(qū)域，傳統(tǒng)機械鎖和機械鑰匙由于需要佩戴多把鑰匙。鎖體狀態(tài)不能及時上報，同時不能實現(xiàn)管理者遠程給工作人員開鎖等問題。針對這樣的問題，本文設計了一種基于藍牙 Mesh組網(wǎng)的工業(yè)群聯(lián)鎖系統(tǒng)。在工業(yè)環(huán)境中，柜體分布相對比較集中，為了實現(xiàn)遠程開關鎖，實時監(jiān)測鎖具的開關狀態(tài)。本系統(tǒng)采用了BLE Mesh組網(wǎng)的方式，將群連鎖，管理人員APP，云平臺等組成一個BLE Mesh組網(wǎng)的系統(tǒng)。最后數(shù)據(jù)會發(fā)送到服務器后臺，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化管理。手機APP發(fā)送開鎖關鎖的消息，不需要直接近距離的發(fā)送命令，鎖體接收到開關鎖命令會執(zhí)行相應操作。所有群連鎖每5分鐘通過消息中繼（relay）的方式向云平臺發(fā)送一次鎖體狀態(tài)。如果鎖體被強行破壞，會觸發(fā)震動傳感器的數(shù)據(jù)報警，上傳震動數(shù)據(jù)到服務器后臺。利用BLE Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)低功耗、長距離通信，將終端設備采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品掌?。在云服務器進行集中管理，監(jiān)測鎖體安全的運行狀態(tài)。最終實現(xiàn)一種低功耗、長距離的鎖體安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠很好地和現(xiàn)有的鎖體的實時監(jiān)測系統(tǒng)一起運行，保證柜體鎖具系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。

1 無線傳輸方式的比較

在現(xiàn)在的日常生活中，我們用到的無線通信方式有很多，目前常見的方式有WiFi，Zigbee、4G、NFC等。WiFi的優(yōu)點就是覆蓋面比較廣，傳輸數(shù)據(jù)的速度也是比較快的，但是在工業(yè)環(huán)境中，我們設計的小型化智能設備一般需要考慮到產(chǎn)品的功耗，WiFi的功耗一般都是比較大的。同時技術也是比較復雜的。Zigbee技術也是現(xiàn)在比較成熟的一種通信技術，同時功耗也是比較低，復雜性也是比較簡單，但是我們常用的移動端的設備比如平板，手機，電腦是不具備Zigbee功能的，給我們的工作使用的帶來的很大的局限性，限制了Zigbee在工業(yè)日常上的使用。NFC通信具有速度快，安全性高的特點，但是NFC常用的日常使用場景在近場的移動支付，信息識別上，通信的距離一般是厘米級別之內(nèi)，不適用于較遠距離的控制。4G技術也是我們現(xiàn)在離不開的通信技術之一。但是4G技術需要背后的運營商的流量支持，導致日常使用成本較高。綜合考慮藍牙技術比較適用于我們的工業(yè)群聯(lián)鎖的使用場景，藍牙是我們現(xiàn)在生活中離不開的日常的通信方式，藍牙耳機，鼠標，鍵盤等已經(jīng)成為我們生活的必需品，BLE Mesh技術，彌補藍牙通信距離只有十幾米的缺陷，然后通過節(jié)點上信息中繼的方式，將接收到的信息發(fā)送給自己周邊的節(jié)點設備，擴大了藍牙通信的距離，實現(xiàn)了較遠距離的通信控制。同時BLE Mesh的組網(wǎng)方式，在任何一個節(jié)點設備損壞的情況下，不影響其他設備的正常通信，提高了組網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時日常我們的移動設備具有藍牙功能了，我們可以通過移動端的設備來發(fā)送數(shù)據(jù)，來控制設備的功能轉換，實綜上所述，在本系統(tǒng)中使用BLE Mesh組網(wǎng)的技術來實現(xiàn)工業(yè)群聯(lián)鎖的設計。

2 藍牙組網(wǎng)方案

2.1 BLE Mesh組網(wǎng)方案分析

2017年藍牙技術聯(lián)盟發(fā)布了MESH1.0的藍牙組網(wǎng)技術，與之前的藍牙BR/EDR和低功耗藍牙不同的是，該組網(wǎng)方案打破了以往藍牙技術一對一的，和一對多的連接方案。通過Mesh網(wǎng)絡的relay（中繼）的功能去實現(xiàn)一個多對多的通信方式，如圖1在BLE Mesh網(wǎng)絡中，每一個藍牙設備都是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，通過廣播的方式發(fā)送消息，無需連接，這樣就能實現(xiàn)消息的發(fā)送與傳播，消息通過多次中繼的方式最終到達具有目的地址的節(jié)點，每個節(jié)點都具有特定的地址，從而實現(xiàn)將消息發(fā)送給目標節(jié)點藍牙設備。同時如果某個節(jié)點出現(xiàn)了故障損壞，整個Mesh組網(wǎng)的其他節(jié)點的通信是不受到干擾的，極大程度地提高了整個網(wǎng)絡的魯棒性，通過這樣的方式，突破了之前藍牙因為距離傳輸問題所帶來的不便性，實現(xiàn)了藍牙的遠距離的通信方式。

圖1 BLE Mesh組網(wǎng)結構圖

2.2 群聯(lián)鎖Mesh系統(tǒng)的設計

為了適用于工業(yè)環(huán)境，我們需要在BLE Mesh的基礎上設計出適用于本系統(tǒng)的BLE Mesh組網(wǎng)系統(tǒng)，BLE Mesh中的節(jié)點特性比較豐富，為了實現(xiàn)多樣的功能，BLE Mesh提供了四種節(jié)點配置特性，分別是低功耗特性節(jié)點，friend特性節(jié)點跟中繼特性和代理特性，四種特性如表1所示。

表1 BLE Mesh組網(wǎng)中節(jié)點的四種特性

本系統(tǒng)中群連鎖采用中繼特性，每個區(qū)域范圍內(nèi)安裝一臺代理特性設備來與手機信息交互。管理員手機中安裝群連鎖控制終端APP,發(fā)相應的命令控制特定群連鎖工作，和進行入網(wǎng)配置和進行群聯(lián)鎖具的分組處理等操作，在Mesh組網(wǎng)系統(tǒng)中，靠近手機的代理特性節(jié)點實現(xiàn)了與手機信息交互的作用。它會將手機發(fā)送的消息傳輸?shù)組esh組網(wǎng)中，使消息能夠在Mesh組網(wǎng)中繼到相應節(jié)點，產(chǎn)生開關鎖的動作，同時群連鎖每隔二十分鐘也會自動上報自己的鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)到代理特性節(jié)點，最終發(fā)送到手機和服務器，從而實現(xiàn)遠距離了解柜體開關鎖的狀態(tài)，防止出現(xiàn)安全事故。

圖2 群連鎖系統(tǒng)總體框架

2.3 組網(wǎng)的過程

在BLE Mesh組網(wǎng)的一開始，我們需要將所有的節(jié)點添加到我們的Mesh組網(wǎng)中去，這樣就能夠實現(xiàn)我們?nèi)郝?lián)鎖的設備添加，在整個群聯(lián)鎖BLE Mesh中，所有的device必須成為網(wǎng)絡中的節(jié)點才能夠跟整個網(wǎng)絡中的其他節(jié)點通信，如果某一個群連鎖的設備沒有跟其他的設備進行組網(wǎng)，其發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)不會被周圍其他節(jié)點的藍牙設備接收。建立群連鎖自動組網(wǎng)的過程，需要我們使用安裝手機控制端的APP來進行入網(wǎng)連接，手機打開自己設備上的藍牙，對周圍的設備進行掃描。首先在掃描之前，設備會發(fā)起廣播，發(fā)起的廣播與常見的藍牙廣播類型不同，設備（ Device）可采用<

圖3 設備組網(wǎng)的過程流程圖

2.4 BLE Mesh的通信協(xié)議

為了實現(xiàn)BLE Mesh的開關鎖的控制，我們需要設計一套通信協(xié)議，因為在本群連鎖Mesh系統(tǒng)中，我們只涉及控制開關鎖的命令和群聯(lián)鎖上報鎖狀位和震動破壞警告，所以通信的命令數(shù)據(jù)包相對比較簡單，為了實現(xiàn)群連鎖的開關等功能，同時滿足Mesh組網(wǎng)的通信要求，我們設計了如下的數(shù)據(jù)包格式來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信。在數(shù)據(jù)包一開始讀取時我們需要先進行數(shù)據(jù)匹配，才會進行數(shù)據(jù)的讀取，每個節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)后會先讀取網(wǎng)絡密鑰的值，如果網(wǎng)絡密鑰的值跟自己存儲的值一樣，才會進行后面的數(shù)據(jù)包讀取，設備標識是為了區(qū)分節(jié)點特性，前面我們在整個系統(tǒng)中設置了兩種節(jié)點特性，我們用0X01和0X02分別代表這兩種設備標識，同時數(shù)據(jù)包里面會包含數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點跟接收節(jié)點。每個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，會對比自己的物理地址，如果不是自己的地址，就會把消息中繼給周圍的節(jié)點，最終到達目標節(jié)點。數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 消息數(shù)據(jù)包格式

3 系統(tǒng)終端硬件設計

圖4 主控的最小系統(tǒng)電路圖

圖5 群聯(lián)鎖硬件系統(tǒng)結構圖

群連鎖主控我們采用的是國產(chǎn)藍牙SOC 富芮坤公司研發(fā)的FR8016HA芯片， FR8016集成 32 位 ARM Cortex-3內(nèi)核、Flash容量為4Mbits，其主要配置信息包括了：支持藍牙 5.0 LE，支持 2M, 1M, 500K, 125K 數(shù)據(jù)速率；處理器具有12～48MHz；在滿足正常使用的情況下，同時能實現(xiàn)不同應用場景下的主頻切換，F(xiàn)R8016H支持藍牙5.0協(xié)議棧，同時滿足向下兼容，同時具備藍牙Mesh組網(wǎng)的協(xié)議棧，能夠將每個藍牙設備變成組網(wǎng)的節(jié)點角色，在主控的外圍電路中，我們設計了電機驅動模塊來驅動開關鎖，電機驅動芯片我們選用了L9110S電機驅動芯片，這要給motora A和motora B兩個電機腳分別輸入高低電平，就能實現(xiàn)電機的正反轉，從而實現(xiàn)開關鎖。

圖6 鎖具開關狀態(tài)檢測模塊設計

圖7 震動傳感器原圖

為了實現(xiàn)對鎖具的狀態(tài)實時檢測，從而及時發(fā)現(xiàn)忘關鎖的工作事故，本文設計一種鎖具狀態(tài)檢電路，當鎖舌閉合時，鎖舌上的磁鐵位于關鎖狀態(tài)位1號霍爾傳感器的位置上，從而單片機soc讀取連接IO口的電平變化，讀取值為0，此時鎖具上報數(shù)據(jù)給服務器，顯示關鎖狀態(tài)正常，同時鎖具處于開鎖狀態(tài)位2號霍爾傳感器上時，同理相應讀取開鎖狀態(tài)位IO口數(shù)據(jù)就為0，當非0-1，1-0等關鎖跟開鎖的狀態(tài)時 候，都是鎖具狀態(tài)異常的時候，這是服務器就會提醒管理人員去現(xiàn)場進行查看，從而其實處理這件事情。從而實現(xiàn)了鎖具安全的實時監(jiān)控和管理。

同時為了防止人為破壞柜體結構，我們在群連鎖上加了一個6軸陀螺儀/加速度傳感器，是實現(xiàn)震動傳感器報警的功能，該芯片采用I2C總線通信的方式與主控連接。來體提供震動報警數(shù)據(jù)。主控接收到異常震動數(shù)據(jù)就會將數(shù)據(jù)上報給服務器后臺，實現(xiàn)有效的安全監(jiān)控。

4 結束語

通過BLE Mesh組網(wǎng)的技術，很好地解決了藍牙控制的距離較短的問題。實現(xiàn)了遠程開關鎖和消息上報，實現(xiàn)了很好的監(jiān)測作用，如果發(fā)生故障，實時提醒管理人員，具有很好的應用場景和使用價值。