基于BLE Mesh的工業(yè)群聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張超

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)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(jì)量柜、設(shè)備機(jī)柜，安全柜等常見(jiàn)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(jī)械鎖和機(jī)械鑰匙由于需要佩戴多把鑰匙。鎖體狀態(tài)不能及時(shí)上報(bào)，同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)管理者遠(yuǎn)程給工作人員開(kāi)鎖等問(wèn)題。針對(duì)這樣的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)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(duì)比較集中，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎖具的開(kāi)關(guān)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(tái)等組成一個(gè)BLE Mesh組網(wǎng)的系統(tǒng)。最后數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送到服務(wù)器后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化管理。手機(jī)APP發(fā)送開(kāi)鎖關(guān)鎖的消息，不需要直接近距離的發(fā)送命令，鎖體接收到開(kāi)關(guān)鎖命令會(huì)執(zhí)行相應(yīng)操作。所有群連鎖每5分鐘通過(guò)消息中繼（relay）的方式向云平臺(tái)發(fā)送一次鎖體狀態(tài)。如果鎖體被強(qiáng)行破壞，會(huì)觸發(fā)震動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)報(bào)警，上傳震動(dòng)數(shù)據(jù)到服務(wù)器后臺(tái)。利用BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)距離通信，將終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。在云服務(wù)器進(jìn)行集中管理，監(jiān)測(cè)鎖體安全的運(yùn)行狀態(tài)。最終實(shí)現(xiàn)一種低功耗、長(zhǎng)距離的鎖體安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠很好地和現(xiàn)有的鎖體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一起運(yùn)行，保證柜體鎖具系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1 無(wú)線傳輸方式的比較

在現(xiàn)在的日常生活中，我們用到的無(wú)線通信方式有很多，目前常見(jiàn)的方式有WiFi，Zigbee、4G、NFC等。WiFi的優(yōu)點(diǎn)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?cè)O(shè)計(jì)的小型化智能設(shè)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(shí)技術(shù)也是比較復(fù)雜的。Zigbee技術(shù)也是現(xiàn)在比較成熟的一種通信技術(shù)，同時(shí)功耗也是比較低，復(fù)雜性也是比較簡(jiǎn)單，但是我們常用的移動(dòng)端的設(shè)備比如平板，手機(jī)，電腦是不具備Zigbee功能的，給我們的工作使用的帶來(lái)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(diǎn)，但是NFC常用的日常使用場(chǎng)景在近場(chǎng)的移動(dòng)支付，信息識(shí)別上，通信的距離一般是厘米級(jí)別之內(nèi)，不適用于較遠(yuǎn)距離的控制。4G技術(shù)也是我們現(xiàn)在離不開(kāi)的通信技術(shù)之一。但是4G技術(shù)需要背后的運(yùn)營(yíng)商的流量支持，導(dǎo)致日常使用成本較高。綜合考慮藍(lán)牙技術(shù)比較適用于我們的工業(yè)群聯(lián)鎖的使用場(chǎng)景，藍(lán)牙是我們現(xiàn)在生活中離不開(kāi)的日常的通信方式，藍(lán)牙耳機(jī)，鼠標(biāo)，鍵盤等已經(jīng)成為我們生活的必需品，BLE Mesh技術(shù)，彌補(bǔ)藍(lán)牙通信距離只有十幾米的缺陷，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)設(shè)備，擴(kuò)大了藍(lán)牙通信的距離，實(shí)現(xiàn)了較遠(yuǎn)距離的通信控制。同時(shí)BLE Mesh的組網(wǎng)方式，在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備損壞的情況下，不影響其他設(shè)備的正常通信，提高了組網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)日常我們的移動(dòng)設(shè)備具有藍(lán)牙功能了，我們可以通過(guò)移動(dòng)端的設(shè)備來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，來(lái)控制設(shè)備的功能轉(zhuǎn)換，實(shí)綜上所述，在本系統(tǒng)中使用BLE Mesh組網(wǎng)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)群聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)。

2 藍(lán)牙組網(wǎng)方案

2.1 BLE Mesh組網(wǎng)方案分析

2017年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了MESH1.0的藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)，與之前的藍(lán)牙BR/EDR和低功耗藍(lán)牙不同的是，該組網(wǎng)方案打破了以往藍(lán)牙技術(shù)一對(duì)一的，和一對(duì)多的連接方案。通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)的relay（中繼）的功能去實(shí)現(xiàn)一個(gè)多對(duì)多的通信方式，如圖1在BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)廣播的方式發(fā)送消息，無(wú)需連接，這樣就能實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送與傳播，消息通過(guò)多次中繼的方式最終到達(dá)具有目的地址的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有特定的地址，從而實(shí)現(xiàn)將消息發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙設(shè)備。同時(shí)如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障損壞，整個(gè)Mesh組網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)的通信是不受到干擾的，極大程度地提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，通過(guò)這樣的方式，突破了之前藍(lán)牙因?yàn)榫嚯x傳輸問(wèn)題所帶來(lái)的不便性，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙的遠(yuǎn)距離的通信方式。

圖1 BLE Mesh組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 群聯(lián)鎖Mesh系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了適用于工業(yè)環(huán)境，我們需要在BLE Mesh的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出適用于本系統(tǒng)的BLE Mesh組網(wǎng)系統(tǒng)，BLE Mesh中的節(jié)點(diǎn)特性比較豐富，為了實(shí)現(xiàn)多樣的功能，BLE Mesh提供了四種節(jié)點(diǎn)配置特性，分別是低功耗特性節(jié)點(diǎn)，friend特性節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的四種特性

本系統(tǒng)中群連鎖采用中繼特性，每個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)安裝一臺(tái)代理特性設(shè)備來(lái)與手機(jī)信息交互。管理員手機(jī)中安裝群連鎖控制終端APP,發(fā)相應(yīng)的命令控制特定群連鎖工作，和進(jìn)行入網(wǎng)配置和進(jìn)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(jī)的代理特性節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)信息交互的作用。它會(huì)將手機(jī)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(yīng)節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)鎖的動(dòng)作，同時(shí)群連鎖每隔二十分鐘也會(huì)自動(dòng)上報(bào)自己的鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)到代理特性節(jié)點(diǎn)，最終發(fā)送到手機(jī)和服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離了解柜體開(kāi)關(guān)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(guò)程

在BLE Mesh組網(wǎng)的一開(kāi)始，我們需要將所有的節(jié)點(diǎn)添加到我們的Mesh組網(wǎng)中去，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)我們?nèi)郝?lián)鎖的設(shè)備添加，在整個(gè)群聯(lián)鎖BLE Mesh中，所有的device必須成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)才能夠跟整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通信，如果某一個(gè)群連鎖的設(shè)備沒(méi)有跟其他的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，其發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)不會(huì)被周圍其他節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙設(shè)備接收。建立群連鎖自動(dòng)組網(wǎng)的過(guò)程，需要我們使用安裝手機(jī)控制端的APP來(lái)進(jìn)行入網(wǎng)連接，手機(jī)打開(kāi)自己設(shè)備上的藍(lán)牙，對(duì)周圍的設(shè)備進(jìn)行掃描。首先在掃描之前，設(shè)備會(huì)發(fā)起廣播，發(fā)起的廣播與常見(jiàn)的藍(lán)牙廣播類型不同，設(shè)備（ Device）可采用<

圖3 設(shè)備組網(wǎng)的過(guò)程流程圖

2.4 BLE Mesh的通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)BLE Mesh的開(kāi)關(guān)鎖的控制，我們需要設(shè)計(jì)一套通信協(xié)議，因?yàn)樵诒救哼B鎖Mesh系統(tǒng)中，我們只涉及控制開(kāi)關(guān)鎖的命令和群聯(lián)鎖上報(bào)鎖狀位和震動(dòng)破壞警告，所以通信的命令數(shù)據(jù)包相對(duì)比較簡(jiǎn)單，為了實(shí)現(xiàn)群連鎖的開(kāi)關(guān)等功能，同時(shí)滿足Mesh組網(wǎng)的通信要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的數(shù)據(jù)包格式來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信。在數(shù)據(jù)包一開(kāi)始讀取時(shí)我們需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后會(huì)先讀取網(wǎng)絡(luò)密鑰的值，如果網(wǎng)絡(luò)密鑰的值跟自己存儲(chǔ)的值一樣，才會(huì)進(jìn)行后面的數(shù)據(jù)包讀取，設(shè)備標(biāo)識(shí)是為了區(qū)分節(jié)點(diǎn)特性，前面我們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中設(shè)置了兩種節(jié)點(diǎn)特性，我們用0X01和0X02分別代表這兩種設(shè)備標(biāo)識(shí)，同時(shí)數(shù)據(jù)包里面會(huì)包含數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)跟接收節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)比自己的物理地址，如果不是自己的地址，就會(huì)把消息中繼給周圍的節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。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(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)圖

群連鎖主控我們采用的是國(guó)產(chǎn)藍(lán)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(lán)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(shí)能實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的主頻切換，F(xiàn)R8016H支持藍(lán)牙5.0協(xié)議棧，同時(shí)滿足向下兼容，同時(shí)具備藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)的協(xié)議棧，能夠?qū)⒚總€(gè)藍(lán)牙設(shè)備變成組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)角色，在主控的外圍電路中，我們?cè)O(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)鎖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們選用了L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這要給motora A和motora B兩個(gè)電機(jī)腳分別輸入高低電平，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖。

圖6 鎖具開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

圖7 震動(dòng)傳感器原圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖具的狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)忘關(guān)鎖的工作事故，本文設(shè)計(jì)一種鎖具狀態(tài)檢電路，當(dāng)鎖舌閉合時(shí)，鎖舌上的磁鐵位于關(guān)鎖狀態(tài)位1號(hào)霍爾傳感器的位置上，從而單片機(jī)soc讀取連接IO口的電平變化，讀取值為0，此時(shí)鎖具上報(bào)數(shù)據(jù)給服務(wù)器，顯示關(guān)鎖狀態(tài)正常，同時(shí)鎖具處于開(kāi)鎖狀態(tài)位2號(hào)霍爾傳感器上時(shí)，同理相應(yīng)讀取開(kāi)鎖狀態(tài)位IO口數(shù)據(jù)就為0，當(dāng)非0-1，1-0等關(guān)鎖跟開(kāi)鎖的狀態(tài)時(shí) 候，都是鎖具狀態(tài)異常的時(shí)候，這是服務(wù)器就會(huì)提醒管理人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看，從而其實(shí)處理這件事情。從而實(shí)現(xiàn)了鎖具安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

同時(shí)為了防止人為破壞柜體結(jié)構(gòu)，我們?cè)谌哼B鎖上加了一個(gè)6軸陀螺儀/加速度傳感器，是實(shí)現(xiàn)震動(dòng)傳感器報(bào)警的功能，該芯片采用I2C總線通信的方式與主控連接。來(lái)體提供震動(dòng)報(bào)警數(shù)據(jù)。主控接收到異常震動(dòng)數(shù)據(jù)就會(huì)將數(shù)據(jù)上報(bào)給服務(wù)器后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)有效的安全監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)BLE Mesh組網(wǎng)的技術(shù)，很好地解決了藍(lán)牙控制的距離較短的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖和消息上報(bào)，實(shí)現(xiàn)了很好的監(jiān)測(cè)作用，如果發(fā)生故障，實(shí)時(shí)提醒管理人員，具有很好的應(yīng)用場(chǎng)景和使用價(jià)值。