張譽(yù)耀

舟山技師學(xué)院，浙江舟山，316011

0 引言

隨著人民的物質(zhì)生活質(zhì)量不斷提升，居民對(duì)安全的認(rèn)識(shí)和對(duì)居住質(zhì)量的需求日益增加，普通的鑰匙式開(kāi)鎖方式已不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。智能電子鎖、單機(jī)智能鎖、無(wú)線智能鎖三大發(fā)展時(shí)期到來(lái)。智能門(mén)鎖由于使用方便，功能強(qiáng)大，安全性好，應(yīng)用范圍廣泛。目前，智能門(mén)鎖系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)不再局限于試驗(yàn)，它已經(jīng)成為一個(gè)成熟的產(chǎn)品，并且一直在更新?lián)Q代和改進(jìn)。當(dāng)前的智能門(mén)鎖從功能和安全兩個(gè)層面著手，相關(guān)技術(shù)也基本集中在這兩個(gè)方向上，但在體系結(jié)構(gòu)的合理和器件的耗電上仍需進(jìn)一步改進(jìn)。智能門(mén)鎖最早應(yīng)用在辦公室，它包括智能門(mén)鑰卡、發(fā)卡機(jī)以及門(mén)鎖系統(tǒng)的管理軟件。一般情況下，智能門(mén)鎖的無(wú)線結(jié)點(diǎn)都是由電池供電的，采用適當(dāng)?shù)牡凸β始夹g(shù)來(lái)最大限度地提高電池的壽命，這對(duì)于用戶(hù)體驗(yàn)和所需成本來(lái)說(shuō)都是非常有益的。HYM32F407ZGT擁有1 MB Flash和192+4 kB SRAM，能夠提供多種內(nèi)存擴(kuò)充的內(nèi)存；在無(wú)線通信中，睡眠叫醒機(jī)制是目前應(yīng)用最廣泛、最重要的一種方法，它可以盡量減少無(wú)線電頻率的閑置監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗的效果。針對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量小、響應(yīng)速度要求高的智能門(mén)鎖系統(tǒng)，利用32F407ZGT平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行研究。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 CPU設(shè)計(jì)

智能門(mén)鎖設(shè)計(jì)采用自頂向下的模塊化思想，將整體設(shè)計(jì)分為4個(gè)部分：執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，執(zhí)行層是智能鎖的硬件部分，采用HYM32F407ZGT增強(qiáng)型嵌入式MCU工作頻率高達(dá)168MHz，具有浮點(diǎn)單元。CPU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是低功耗設(shè)計(jì)，核心是控制器的通信協(xié)議的選擇。該系列產(chǎn)品采用55nm工藝，具有動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整功能，至238μA/MHz的電流消耗，可以支持各種存儲(chǔ)器擴(kuò)展存儲(chǔ)容量[1]。HYM32F407ZGT具備符合IEEE 1588 v2標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC10/100接口和CMOS照相機(jī)接口；共有多達(dá)114個(gè)I/O口；2個(gè)USB OTG；專(zhuān)用音頻PLL和2個(gè)全雙工I2S；通信接口多達(dá)15個(gè)（包括6個(gè)UART、3個(gè)SPI、3個(gè)I2C、2個(gè)CAN和1個(gè)SDIO）；模擬：2個(gè)12位DAC、3個(gè)12位24通道的ADC；多達(dá)17個(gè)定時(shí)器，其中12個(gè)16和2個(gè)32位定時(shí)器；可以支持各種存儲(chǔ)器擴(kuò)展存儲(chǔ)容量；基于模擬電子技術(shù)的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器HYM32F407ZGT具有1MB Flash和可達(dá)192+4kB的SRAM。執(zhí)行層CPU設(shè)計(jì)是基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)，由控制器、矩陣鍵盤(pán)、蜂鳴器和直流電機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

矩陣鍵盤(pán)明顯要更加繁瑣，列線由電阻器連接，由單片機(jī)的I/O端口構(gòu)成。蜂鳴器是一種以DC為電源的集成式電子報(bào)警機(jī)，直流電機(jī)的主要性能可以體現(xiàn)在168MHz頻率下，從Flash存儲(chǔ)器執(zhí)行時(shí)，HYM32F407ZGT能夠提供210DMIPS處理能力，并且利用ART加速器實(shí)現(xiàn)FLASH零等待狀態(tài)。DSP與浮動(dòng)元件相容，擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。門(mén)鎖設(shè)備需要使用電池作為電源，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到低功率的問(wèn)題，通信是控制系統(tǒng)整體能耗的重要環(huán)節(jié)。執(zhí)行層控制器的選擇既要考慮低功耗還要考慮對(duì)lora協(xié)議的支持，選用了32F407ZGT微控器，該系列微控器功耗低、性?xún)r(jià)比高、可靠性高。服務(wù)層架構(gòu)處由信息采集模塊、信息處理與決策模塊、動(dòng)作模塊3部分組成，在信息采集時(shí)，利用紅外線模塊對(duì)鎖眼進(jìn)行采集，并將其與振動(dòng)模塊、壓力模塊相結(jié)合，以獲取用戶(hù)輸入的人機(jī)交互信息。所收集到的數(shù)據(jù)首先通過(guò)過(guò)濾程序傳輸?shù)紿YM32F407ZGT中進(jìn)行處理和分析，然后把特定的控制信號(hào)發(fā)送給操作模塊，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。用戶(hù)端是指用戶(hù)應(yīng)用層，它為用戶(hù)提供特定指令和數(shù)據(jù)的操作界面，用戶(hù)端經(jīng)由SMS接收層向處理控制層發(fā)送輸入信息，例如修改用戶(hù)密碼指令、留言數(shù)據(jù)輸入、報(bào)警信息的接收。超級(jí)用戶(hù)的應(yīng)用層具有完全的控制權(quán)，而一般用戶(hù)的客戶(hù)端則需要通過(guò)超級(jí)用戶(hù)的許可來(lái)獲得相應(yīng)的控制權(quán)限[2]。

1.2 功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)必須考慮低功耗設(shè)計(jì)，讓控制器大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。功能的設(shè)計(jì)思路是主程序完成系統(tǒng)初始化和設(shè)備注冊(cè)等功能后，打開(kāi)中斷后轉(zhuǎn)入低功耗休眠狀態(tài)，系統(tǒng)所有功能通過(guò)中斷在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。

（1）人機(jī)交互。通過(guò)將關(guān)鍵模塊與OLED LCD屏幕相融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全狀態(tài)、用戶(hù)信息、開(kāi)鎖信息、用戶(hù)出入等數(shù)據(jù)的可視化接口。利用鍵盤(pán)上的數(shù)據(jù)輸入，可以使GPRS模塊通知內(nèi)容變更、系統(tǒng)模式設(shè)置、模塊參數(shù)變更、用戶(hù)資料錄入等功能，并能對(duì)狀態(tài)提示做出反應(yīng)，完成對(duì)一般使用者的權(quán)限詢(xún)問(wèn)。

（2）遠(yuǎn)程報(bào)警功能。利用GPRS通信模塊，完成SMS消息的發(fā)送。在發(fā)生非法撬動(dòng)、損壞或感應(yīng)到鑰匙沒(méi)有被拔出來(lái)的時(shí)候，32F407ZGT的低功率智能門(mén)鎖會(huì)向GPRS通信模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，GPRS通信模塊收到對(duì)應(yīng)的AT命令，以文字形式發(fā)出警告，從而達(dá)到防竊報(bào)警的目的。

（3）通信與休眠優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)中斷異常處理算法在不影響基于32F407ZGT的低功耗智能門(mén)鎖設(shè)計(jì)正常運(yùn)作的前提下進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化調(diào)整，關(guān)閉未用的輸入/輸出模組。在外部設(shè)備沒(méi)有被使用的情況下，對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行了關(guān)聯(lián)管理。針對(duì)某些外部設(shè)備不進(jìn)行有效的管理，利用串行上位機(jī)監(jiān)測(cè)其呼叫狀況，設(shè)定適當(dāng)?shù)拈g斷呼叫次數(shù)，圖2顯示了一個(gè)狀態(tài)變換的過(guò)程。

圖2 各狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖

在啟動(dòng)后，將HYM32F407ZGT的電源設(shè)置為可以通過(guò)外部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果沒(méi)有外界干擾，每5分鐘內(nèi)喚醒一次，確保門(mén)鎖的工作狀態(tài)，如果在外的終端被喚醒，那就開(kāi)始計(jì)時(shí)，5分鐘后，門(mén)鎖就會(huì)恢復(fù)到休眠狀態(tài)[3]。

2 休眠喚醒機(jī)制優(yōu)化

由于休眠喚醒機(jī)制較為重要，本文對(duì)其進(jìn)行一些優(yōu)化處理可以更好地降低功耗。終端把含有信息的幀傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收到該包后要返回ACK，這是由于該終端可能在睡眠狀態(tài)，為保證該終端可以接收到回復(fù)信息，該網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地發(fā)出ACK，并在接收到ACK后返回網(wǎng)關(guān)，從而停止發(fā)送。在此基礎(chǔ)上，還提供了一個(gè)有效的信道估計(jì)和沖突再傳輸?shù)姆椒?。每個(gè)結(jié)點(diǎn)在傳輸之前，首先要探測(cè)到一個(gè)信道中有沒(méi)有無(wú)線電，如果沒(méi)有，它就發(fā)射一個(gè)數(shù)據(jù)包；如果有，就會(huì)發(fā)射碰撞，這個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著機(jī)延后的幾秒鐘重新發(fā)射，如果它還處于繁忙狀態(tài)，那就會(huì)再次進(jìn)行一次隨機(jī)延遲，最多只能傳送3次，如果超過(guò)3次就會(huì)自動(dòng)被取消。當(dāng)有反應(yīng)時(shí)限的情況下，使用睡眠叫醒機(jī)制中的發(fā)送和接收切換模式，持續(xù)時(shí)間設(shè)置為最大值，發(fā)送接收循環(huán)的數(shù)量為公式（1）:

式子中，t為終端休眠周期中監(jiān)聽(tīng)時(shí)間，T為休眠時(shí)間，終端監(jiān)聽(tīng)時(shí)間片與發(fā)送周期之比為下列式子（3）：

終端休眠周期占空比η為公式（4）：

終端節(jié)點(diǎn)的平均功耗與η有關(guān)，η小平均功耗低，終端休眠周期的占空比為公式（5）所示：

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在此基礎(chǔ)上，將控制模塊和試驗(yàn)?zāi)K安裝在32F407ZGT芯片上，根據(jù)協(xié)議中的要求進(jìn)行驗(yàn)證，在測(cè)試的時(shí)候，可以將接口相連，并將數(shù)據(jù)輸出到USB接口上，方便用戶(hù)隨時(shí)監(jiān)控。該控制器采用與云端相連的方式，在服務(wù)器上可以看見(jiàn)控制器的連線訊號(hào)。在移動(dòng)電話(huà)上，通過(guò)端口設(shè)置檢測(cè)功能，并將其發(fā)送到用戶(hù)端，通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)禁的正確切換[4]。門(mén)鎖應(yīng)用參數(shù)設(shè)定如下：門(mén)鎖應(yīng)用中不考慮其他機(jī)電模塊的電流消耗情況，只考慮無(wú)線節(jié)點(diǎn)的電流消耗。一扇門(mén)每天開(kāi)啟20次，如果是人工開(kāi)啟，則由門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)包，并收到 ACK的回復(fù)；如果是無(wú)線命令打開(kāi)，則門(mén)鎖收到網(wǎng)關(guān)的打開(kāi)命令，并回復(fù)ACK，兩者各占一半。一次人工打開(kāi)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，一幀ACK一幀響應(yīng)。由于載波沖突造成的傳輸失效，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)立刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)，通信失敗率為4.55%。無(wú)線結(jié)點(diǎn)參數(shù)采用早先測(cè)試的組態(tài)參數(shù)，利用已有的測(cè)試資料進(jìn)行計(jì)算，而不會(huì)因結(jié)點(diǎn)延遲而造成的功耗及鄰近干擾。該電池采用了5節(jié) AA模式，南孚聚能環(huán)電池單節(jié)2700 mAh，由于兩根并排，所以在不考慮自身放電系數(shù)的情況下，總電量達(dá)到了5400 mAh[5]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試該文設(shè)計(jì)的基于32F407ZGT的低功耗智能門(mén)鎖設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與功耗低等特性，將32F407ZGT的主頻設(shè)置為70MHz、35MHz、17MHz、5MHz時(shí)，對(duì)采用和不采用通信優(yōu)化的門(mén)禁裝置進(jìn)行了電流損失監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上測(cè)量了各個(gè)開(kāi)關(guān)的響應(yīng)頻率在非優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)下及優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)下的功耗[6]。

從圖3中可以看出，在最大功率70 MHz下，在非最佳工況下初始啟動(dòng)電流在35～45mA，在充分啟動(dòng)后處于35～40mA。在最佳工作條件下，初始工作時(shí)的平均工作電流在20～22mA，在充分工作后處于22～25mA之間。在最佳工況下，最優(yōu)工況下的電流損失為51.25%，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的需要[7]。

圖3 優(yōu)化損耗前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

基于32F407ZGT的低功耗智能門(mén)鎖設(shè)計(jì)的整體體系結(jié)構(gòu)是將智能門(mén)鎖與云網(wǎng)相連，并使其智能化。此方案具有節(jié)約電力能源、降低后期維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。智能門(mén)鎖與功能設(shè)計(jì)采用無(wú)線方式進(jìn)行互聯(lián)，以達(dá)到對(duì)用戶(hù)的動(dòng)態(tài)訪問(wèn)和授權(quán)，適用于辦公室環(huán)境。該系統(tǒng)以32F407ZGT型低功率器件為核心，通過(guò)與單片機(jī)的斷路和繼電器相配合，對(duì)外部器件的電源進(jìn)行了控制，從而達(dá)到了對(duì)鎖具工作狀況的最優(yōu)設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本方案能夠有效方便地對(duì)門(mén)禁進(jìn)行控制，同時(shí)具有較高的響應(yīng)效率，運(yùn)行功耗較低、穩(wěn)定性好。