晉玉劍　吳昌　張俊強　李長磊　韓亭亭

摘 要

本文介紹了基于NB-IoT信號傳輸和近場藍牙BLE技術(shù)相結(jié)合的智能門控系統(tǒng)，通過智能監(jiān)控器及傳感器組，實時監(jiān)測門和鎖具的狀態(tài)、箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜、震動、等狀態(tài)，監(jiān)測控制器電量信息，并通過NB-IoT模組將狀態(tài)數(shù)據(jù)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺。本文對系統(tǒng)架構(gòu)和硬件電路設(shè)計、監(jiān)控平臺軟件功能等做出詳細的介紹，該系統(tǒng)優(yōu)勢在于功耗低、實用性強，為行業(yè)用戶提供智能便捷的技術(shù)服務。

關(guān)鍵詞

物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;藍牙BLE;智能監(jiān)控;低功耗

中圖分類號： TS914.211.7;TN925 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.014

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升到國家戰(zhàn)略高度，研發(fā)和應用進程加速并不斷取得實質(zhì)性進展。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括傳感測試技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、云計算等，具有廣域覆蓋、大容量、超低功耗和低成本等特點，目前在遠程監(jiān)控、共享經(jīng)濟、智慧產(chǎn)業(yè)等行業(yè)得到了日益廣泛的應用。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）在覆蓋距離、功耗、成本、接入數(shù)量等性能上明顯優(yōu)于4G、5G、NFC、ZigBee、藍牙、Wifi/ WAPI等其它技術(shù)，可以實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)，具有更加廣闊的應用前景。

在傳統(tǒng)的電力行業(yè)和通信行業(yè)等應用場景，很多設(shè)備箱體位于室外，且距離較遠，其狀態(tài)監(jiān)測和維護主要依賴于傳統(tǒng)的人工巡查和處置，資產(chǎn)安全和管理維護效率難以保障。在儀器控制和資產(chǎn)管理向著智能化、遠程化方向發(fā)展，本文提供了遠程NB-IoT廣域網(wǎng)通信技術(shù)和近場藍牙BLE5.0技術(shù)相結(jié)合的智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，為客戶提供更加智能和便捷的服務及技術(shù)支持[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文主要介紹智能門控系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)包含傳感器組、智能監(jiān)控器、電子鎖、電源模塊等硬件模塊，以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺軟件和藍牙手機APP應用軟件。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)通過門磁行程開關(guān)、溫濕度、傾斜、震動、水浸傳感器，實時監(jiān)測門和鎖具的狀態(tài)、箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜、震動、等狀態(tài)，可以監(jiān)測控制器電量信息，并通過NB-IoT模組將狀態(tài)數(shù)據(jù)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺。藍牙手機APP通過平臺授權(quán)后，與監(jiān)控器內(nèi)部的藍牙模塊配對，可以近距離控制打開電子鎖具，也可以通過平臺遠程控制開鎖。當出現(xiàn)非法開門、箱體傾斜、水浸、供電電量過低等異常狀態(tài)時，物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)出報警信息并通過藍牙手機APP客戶端通知相關(guān)人員進行維護[2]。

該系統(tǒng)主要定位服務于室內(nèi)外箱體和門的監(jiān)控管理，用以解決光交箱、電力柜、保險柜、安全門、設(shè)備間等系統(tǒng)管理和維護的不便。潛在用戶包括：中國移動、中國電信、中國聯(lián)通各大通信運營公司、國家電網(wǎng)公司、銀行、建筑、制造廠商等，相比于傳統(tǒng)的機械鎖具，該系統(tǒng)優(yōu)勢顯而易見：狀態(tài)實時監(jiān)控，遠程授權(quán)開鎖，異常狀態(tài)報警，以上功能可以切實地解決行業(yè)痛點，滿足用戶需求，實現(xiàn)更加智能和便捷的維護管理。與目前市場上的同類產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)功能更加完善，且待機實際長，實用性更強[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能監(jiān)控器硬件電路設(shè)計

智能監(jiān)控器硬件電路根據(jù)功能劃分，分為MCU控制電路、NB模組、藍牙模塊等，實現(xiàn)開關(guān)、溫濕度、有無傾斜、水浸及電量信息等狀態(tài)檢測，同時將以上信息上傳至管理平臺，實現(xiàn)狀態(tài)信息的實時監(jiān)測和遠程控制。各選模塊選型和設(shè)計重點關(guān)注功耗指標，以滿足現(xiàn)場超長待機的需求。

2.1.1 MCU主控模塊

該系統(tǒng)MCU選用STM32L151CBT6A，供電電壓為DC+ 1.65V～+3.6V。該芯片屬于Contex-M3超低功耗系列，睡眠狀態(tài)功耗低至0.28uA，喚醒時間小于8us，滿足該系統(tǒng)性能要求，延長系統(tǒng)工作時間，減少后期維護成本。芯片F(xiàn)LASH為128kb，RAM為32kb，具有SUB2.0、SUART、SPI、I2C等通信資源，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。電路原理圖如圖2所示。

MCU采用外部16MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘，采用外部32.768KHz晶振作為RTC實時時鐘，在系統(tǒng)掉電時可以保持備份寄存器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時間等。

MCU連接門磁、門鎖開關(guān)可以實時監(jiān)測門和鎖具的狀態(tài)，判斷是否存在非法開門、誤開門和長時間不閉合等問題。連接溫濕度、傾斜、水浸傳感器，監(jiān)控箱體內(nèi)部溫濕度、傾斜等狀態(tài)。接入供電電壓用于指示控制器電量信息。當以上狀態(tài)存在異常時，MCU控制發(fā)出報警提示。

MCU外接三種顏色的LED指示燈，指示系統(tǒng)的供電及工作狀態(tài)是否正常。

該系統(tǒng)選用容量為8KⅩ8Bits的FRAM芯片MB85 RC64，通過I2C 與MCU進行通信，存儲監(jiān)控器傳感器組測到的狀態(tài)信息和其它異常記錄等。

MCU通過串口方式與藍牙模塊進行通信，藍牙模塊正常處于待機休眠狀態(tài)，被喚醒后與外部藍牙手機APP進行配對，接受到APP開鎖指令后傳送至MCU，通過控制信號驅(qū)動鎖體內(nèi)部的電機，實現(xiàn)機械開鎖操作。

2.1.2 藍牙BLE5.0模組

藍牙模塊采用BLE5.0系列HY-40R204I，內(nèi)部集成TI藍牙芯片CC2640，采用GFSK調(diào)制方式，頻率范圍2.402～2.480MHz，供電電壓DC+2.0～3.6V，接收靈敏度為-94dBm。模塊支持透傳模式和直驅(qū)模式，分為主機、從機、主從一體三個版本，支持全雙工串口通信。模塊在睡眠模式功耗為3uA，關(guān)機模式為0.15 uA，且喚醒響應時間在微秒級別，具有板載IPEX外接天線，傳輸距離可達100米以上，滿足系統(tǒng)現(xiàn)場適用距離。

本文智能監(jiān)控系統(tǒng)中，藍牙模塊為從機模式，采用UART方式與MCU通信，監(jiān)控器藍牙模塊總是處于睡眠模式，觸摸鎖體外部的喚醒開關(guān)即可喚醒藍牙模塊進入廣播狀態(tài)，通過藍牙手機APP搜索到監(jiān)控器藍牙模塊，進行配對連接成功后，在APP上可進行開鎖操作和工單管理，藍牙模塊接收到指令并通過MCU模塊下達開鎖信號，門鎖接收到DO信號后，實現(xiàn)開鎖控制。

2.1.3 NB-IoT模組

NB-IoT模組采用中國電科天博電子信息科技有限公司自主研發(fā)的TB22通信模組。

該模塊內(nèi)嵌網(wǎng)絡服務協(xié)議棧，采用LCC封裝，滿足終端設(shè)備小型化需求，同時具有多頻段、超低功耗和超寬溫度范圍等優(yōu)異性能，目前已成為遠程抄表、共享單車、智慧城市、安防、智能家電、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的理想選擇。

MCU通過串口方式與NB模組進行通信，結(jié)合外置天線和SIM卡，將智能監(jiān)控器監(jiān)測到的信息實時發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，發(fā)送的信息格式和時間間隔等參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場需求通過程序進行設(shè)置。監(jiān)控平臺可以下發(fā)授權(quán)權(quán)限和開鎖指令等，MCU接收到相關(guān)指令后進行相應的控制和操作。

2.2 電子鎖

電子鎖根據(jù)現(xiàn)場需求選擇適用型號，采用外采集成的方式完成系統(tǒng)設(shè)計，開鎖方式有遠程開鎖，手機APP開鎖兩種模式。本文中主要介紹相關(guān)功能和技術(shù)指標。電子鎖為無源鎖芯，工作溫度為-40～+80℃，防護等級為IP67，采用DC+3.3V供電，具有開關(guān)鎖記錄存儲功能，可以通過LED燈指示工作狀態(tài)，具有良好的防潮防腐蝕性能，適用于多塵潮濕等室外復雜環(huán)境。

2.3 電源模塊和低功耗設(shè)計

系統(tǒng)采用DC+5V鋰亞硫酰氯電池供電，容量16000mAh。在電源輸入端加上過流保護和自恢復保險，設(shè)置電壓監(jiān)測端口，當電量過低時發(fā)出報警提示。MCU和藍牙模塊工作電壓為DC+3.3V，使用DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊XC6504A331MR-G，將電源電壓轉(zhuǎn)換為DC+3.3V，滿足監(jiān)控器電路供電需求。當系統(tǒng)正常工作時可進入低功耗休眠模式，設(shè)置定時器和鎖體外部觸發(fā)喚醒兩種模式結(jié)合，電池滿足系統(tǒng)持續(xù)工作2年以上。電源模塊電路如圖3所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺軟件

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計注重實用性、開放性、安全性、可靠性、高效性、易維護性原則，系統(tǒng)架構(gòu)為基于J2EE的多層體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合WEB SERVICE技術(shù)，以搭積木式的方式靈活快速地構(gòu)建Internet/Intranet應用系統(tǒng)，動態(tài)地適應需求的變化，開發(fā)維護方便，代碼的可重用性和擴展性高[4]。

系統(tǒng)功能主要包括電子地圖、系統(tǒng)管理、報警管理、接入平臺、移動APP等。

系統(tǒng)登陸后，默認顯示地圖，并在地圖上標記每個箱體鎖的位置，點擊每個箱體鎖標識后進行詳情查看，可以看到具體的狀態(tài)、信息、報警等內(nèi)容。

管理員進入系統(tǒng)管理界面，對用戶、部門、權(quán)限、角色、進行設(shè)置、增加、修改、刪除，可以在系統(tǒng)中記錄菜單操作日志，包括操作菜單、操作用戶、部門、操作的URL、請求方式、操作者的IP地址、操作時間等信息，并設(shè)置查詢菜單，方便查詢?nèi)罩拘畔ⅰ?/p>

當狀態(tài)異常時，智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警，在平臺軟件和App上可以看到報警信息，用戶可以通過報警信息對箱體鎖進行處理，并將處理結(jié)果通過App反饋到平臺中。在報警定義和服務模塊，可以生產(chǎn)報警處理記錄，并實現(xiàn)自動新增報警的邏輯，有接受信息通知等待處理和定時自動消警等處理模式。確定處理完成后人工選擇狀態(tài)為已通知或正常。

接入平臺是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，包括設(shè)備接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務等物聯(lián)網(wǎng)基本功能。

移動APP推出使用Android和IOS系統(tǒng)適用的不同版本，包括設(shè)備詳情、工單管理、開鎖操作、通知推送等功能[5]。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)設(shè)計合理，功能全面且實用，結(jié)合藍牙BLE5.0和NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)近距離控制及信號的遠程傳輸，在功能和技術(shù)指標上相比于同類產(chǎn)品，優(yōu)勢明顯，性價比高，具有良好的市場和應用前景。

參考文獻

[1]何英杰，楊書華等.基于NB-IoT的低功耗智能光交箱門控系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2019-2（4）：19-20.

[2]謝運洲，NB-IOT技術(shù)詳解與行業(yè)應用[M].科學出版社：8-30.

[3]張坤鰲，郭澤梅.基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2019（11）：211-215.

[4]孫長翔，徐斌，汪文杰，楊連營.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（03）：226-228.

[5]白志帥，穆士留，張峰，趙留.基于BLE技術(shù)的智能門控系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2017-32（4）：67-71.