何英杰　楊書華　孫涵　李啟偉　孫振源

摘 要：文章設(shè)計了基于NB-IoT的低功耗智能光交箱門控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的光交箱基礎(chǔ)上，集成了電子門鎖、門磁/行程開關(guān)、溫濕度傳感器、水浸傳感器等前段感知設(shè)備，利用NB-IoT模組將光交箱的各項信息實(shí)時傳送到物聯(lián)網(wǎng)平臺（監(jiān)控中心），監(jiān)控中心通過短信或移動終端APP來告知相關(guān)人員對光交箱進(jìn)行維護(hù)管理。該系統(tǒng)能夠確保光交箱始終處在最佳的運(yùn)行環(huán)境，減少光交箱內(nèi)光纜的損壞及被盜概率，大大提高了各運(yùn)營商對于光交箱的管理效率，降低了管理成本，提高城市網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光交箱；智能監(jiān)控；NB-IoT；低功耗

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟及NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)，光交箱的智能管理也有了更好的解決方案。將現(xiàn)有的光交箱進(jìn)行智能化改造，增加智能電子鎖和智能監(jiān)控終端，并通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對光交箱設(shè)備的智能化管理和監(jiān)控[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能光交箱管理系統(tǒng)在傳統(tǒng)的光交箱基礎(chǔ)上，集成了門磁/行程開關(guān)、電子門鎖、溫濕度傳感器、水浸傳感器等前端感知設(shè)備，利用NB-IoT模組將光交箱的各項信息實(shí)時傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺（監(jiān)控中心），監(jiān)控中心通過短信或者給相關(guān)移動終端APP發(fā)指示信息來告知光交箱巡視人員進(jìn)行維護(hù)管理，從而實(shí)現(xiàn)對光交箱的實(shí)時全面的監(jiān)控管理[2]。

2 智能終端硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)通過智能終端采集光交箱相關(guān)數(shù)據(jù)，終端中包含各種傳感器，如溫濕度傳感器、電壓監(jiān)測傳感器、振動傳感器、浸水監(jiān)測傳感器、門磁/行程開關(guān)傳感器等，將其監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模組傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理。

2.1 主控芯片電路

終端選用STM32F103C8T6芯片，該芯片基于ARM Cortex-M內(nèi)核，程序存儲容量64 kB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度﹣40～85 ℃，支持定時器，ADC，SPI，I2C，USART等多種外設(shè)，可充分滿足需求。系統(tǒng)采用8 M外部晶振為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘頻率。芯片部分原理如圖1所示。

2.2 電源管理模塊

電源管理模塊的設(shè)計是整個電路設(shè)計的重點(diǎn)之一。電路支持5 V和3.8 V供電，由于單片機(jī)和NB-IoT模組的工作電壓均為3.3 V，因此需要設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路。在電源輸入輸出需要添加穩(wěn)壓和濾波電容作為電源電路的保護(hù)。電源模塊原理如圖2所示。

2.3 通信模組及射頻電路

終端中嵌入NB-IoT模組及天線和SIM卡座，對于天線接口的外圍電路設(shè)計，為了能夠更好地調(diào)節(jié)射頻性能，預(yù)留π型匹配電路，π型匹配電路原件應(yīng)盡量靠近天線放置，且需要根據(jù)實(shí)際情況選貼。為了確保射頻信號的良好性能與可靠性，在電路設(shè)計中建議遵循以下設(shè)計原則。

（1）應(yīng)使用阻抗模擬計算工具對射頻信號線進(jìn)行精確的50 Ω阻抗控制。

（2）與射頻引腳相鄰的GND引腳不做熱焊盤，要與地充分接觸。

（3）射頻引腳到RF連接器之間的距離應(yīng)盡量短，同時避免直角走線，建議的走線夾角為135度。

（4）連接器件封裝建立時要注意，信號腳離地要保持一定距離。

（5）射頻信號線參考的地平面應(yīng)完整，在信號線和參考地周邊增加一定量的地孔可以幫助提升射頻性能，地孔和信號線之間的距離應(yīng)至少為2倍線寬（2×W）。

2.4 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

智能終端技術(shù)指標(biāo)如表1所示

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能門控系統(tǒng)支持多種功能，包括實(shí)時監(jiān)測電壓、溫度、箱門狀態(tài)、震動、傾斜、水浸等箱體狀態(tài)，將獲取到的信息實(shí)時上報到服務(wù)器，有異常情況實(shí)時報警。智能門控終端集成有一個電子鎖具、多種傳感器、一個單片機(jī)控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、NB-IoT通信模塊和電源管理模塊等部分，電子鎖具可通過APP和電子鑰匙兩種方式開鎖，傳感器用于光交箱箱體信息數(shù)據(jù)的采集，采集到的信息發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行處理和上報，單片機(jī)處理后通過NB-IoT模塊發(fā)送至服務(wù)器，數(shù)據(jù)最終可通過網(wǎng)管客戶端軟件或手機(jī)APP軟件顯示，異常告警信息可通過網(wǎng)管客戶端、手機(jī)APP以及短信推送給光交箱管理者。

終端系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化、中斷向量判斷、子函數(shù)調(diào)用等部分組成。系統(tǒng)初始化主要包括看門狗定時器初始化、傳感器數(shù)據(jù)讀取端口初始化、串口初始化、定時器初始化等。系統(tǒng)初始化完成之后會進(jìn)入休眠模式等待中斷發(fā)生，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)從休眠模式喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)，判斷觸發(fā)中斷的中斷向量，并根據(jù)中斷狀態(tài)完成相應(yīng)操作。以門磁開關(guān)傳感器為例，門磁開關(guān)用于檢測光交箱門的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)門磁狀態(tài)有變化時會相應(yīng)產(chǎn)生一個電平狀態(tài)的變化，MCU監(jiān)測到電平變化會進(jìn)入中斷，將電平狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行識別處理，將數(shù)據(jù)打包成NB-IoT模組可以識別的AT指令，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器再由服務(wù)器做相應(yīng)處理[3]。智能終端可支持門磁/行程開關(guān)傳感器、浸水監(jiān)測傳感器、電壓監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器、傾斜傳感器等多種傳感器，應(yīng)用時可根據(jù)需要增加或移除相應(yīng)的傳感器。

由于系統(tǒng)采用電池供電，因此，在軟件設(shè)計方面需要使終端大部分時間處于休眠模式以降低功耗。功耗方面該芯片有3種低功耗模式，分別是睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式，在這3種模式下功耗分別為9 μA、0.57 μA和0.3 μA。單片機(jī)在大部分時間處于停止模式，當(dāng)傳感器獲取到異常數(shù)據(jù)時通過單片機(jī)的某些引腳將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再打包通過串口發(fā)送給NB-IoT模組。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)設(shè)計合理，采用了最適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)量且低功耗的NB-IoT傳輸技術(shù)，可解決目前傳統(tǒng)光交箱管理難度大、成本高等問題，因此具有良好的市場前景，目前已在山東、河南等多個地市安裝應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]佚名.揭秘NB-IoT智能鎖在光交箱系統(tǒng)中的妙用[EB/OL].（2018-09-11）[2019-02-09].https：//www.sohu.com/a/253228775_731975.

[2]孫長翔，徐斌，汪文杰，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的光交箱狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].通訊世界，2015（3）：226-227.

[3]孫志成.基于AVR單片機(jī)的智能門控系統(tǒng)[J].科技信息，2011（33）：88.