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

        2022-12-01 05:27:26張超
        電子制作 2022年20期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備系統(tǒng)

        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、計量柜、設(shè)備機(jī)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(jī)械鎖和機(jī)械鑰匙由于需要佩戴多把鑰匙。鎖體狀態(tài)不能及時上報,同時不能實現(xiàn)管理者遠(yuǎn)程給工作人員開鎖等問題。針對這樣的問題,本文設(shè)計了一種基于藍(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,柜體分布相對比較集中,為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)鎖,實時監(jiān)測鎖具的開關(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(wù)器后臺,從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化管理。手機(jī)APP發(fā)送開鎖關(guān)鎖的消息,不需要直接近距離的發(fā)送命令,鎖體接收到開關(guān)鎖命令會執(zhí)行相應(yīng)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(qiáng)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(wù)器后臺。利用BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低功耗、長距離通信,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(shè)計的小型化智能設(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),同時功耗也是比較低,復(fù)雜性也是比較簡單,但是我們常用的移動端的設(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(yuǎn)距離的控制。4G技術(shù)也是我們現(xiàn)在離不開的通信技術(shù)之一。但是4G技術(shù)需要背后的運營商的流量支持,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)鎖的使用場景,藍(lán)牙是我們現(xiàn)在生活中離不開的日常的通信方式,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),彌補藍(lán)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(shè)備,擴(kuò)大了藍(lán)牙通信的距離,實現(xiàn)了較遠(yuǎn)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(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,同時日常我們的移動設(shè)備具有藍(lán)牙功能了,我們可以通過移動端的設(shè)備來發(fā)送數(shù)據(jù),來控制設(shè)備的功能轉(zhuǎn)換,實綜上所述,在本系統(tǒng)中使用BLE Mesh組網(wǎng)的技術(shù)來實現(xiàn)工業(yè)群聯(lián)鎖的設(shè)計。

        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)一對一的,和一對多的連接方案。通過Mesh網(wǎng)絡(luò)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(luò)中,每一個藍(lán)牙設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(biāo)節(jié)點藍(lán)牙設(shè)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(luò)的魯棒性,通過這樣的方式,突破了之前藍(lán)牙因為距離傳輸問題所帶來的不便性,實現(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

        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(shè)備來與手機(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)點實現(xiàn)了與手機(jī)信息交互的作用。它會將手機(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,產(chǎn)生開關(guān)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(jī)和服務(wù)器,從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離了解柜體開關(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?qū)崿F(xiàn)我們?nèi)郝?lián)鎖的設(shè)備添加,在整個群聯(lián)鎖BLE Mesh中,所有的device必須成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點才能夠跟整個網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點通信,如果某一個群連鎖的設(shè)備沒有跟其他的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng),其發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)不會被周圍其他節(jié)點的藍(lán)牙設(shè)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(jī)控制端的APP來進(jìn)行入網(wǎng)連接,手機(jī)打開自己設(shè)備上的藍(lán)牙,對周圍的設(shè)備進(jìn)行掃描。首先在掃描之前,設(shè)備會發(fā)起廣播,發(fā)起的廣播與常見的藍(lán)牙廣播類型不同,設(shè)備( Device)可采用<

        圖3 設(shè)備組網(wǎng)的過程流程圖

        2.4 BLE Mesh的通信協(xié)議

        為了實現(xiàn)BLE Mesh的開關(guān)鎖的控制,我們需要設(shè)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(guān)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(guān)等功能,同時滿足Mesh組網(wǎng)的通信要求,我們設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)匹配,才會進(jìn)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(luò)密鑰的值,如果網(wǎng)絡(luò)密鑰的值跟自己存儲的值一樣,才會進(jìn)行后面的數(shù)據(jù)包讀取,設(shè)備標(biāo)識是為了區(qū)分節(jié)點特性,前面我們在整個系統(tǒng)中設(shè)置了兩種節(jié)點特性,我們用0X01和0X02分別代表這兩種設(shè)備標(biāo)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(dá)目標(biāo)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(shè)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(jié)構(gòu)圖

        群連鎖主控我們采用的是國產(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,同時能實現(xiàn)不同應(yīng)用場景下的主頻切換,F(xiàn)R8016H支持藍(lán)牙5.0協(xié)議棧,同時滿足向下兼容,同時具備藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)的協(xié)議棧,能夠?qū)⒚總€藍(lán)牙設(shè)備變成組網(wǎng)的節(jié)點角色,在主控的外圍電路中,我們設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動開關(guān)鎖,電機(jī)驅(qū)動芯片我們選用了L9110S電機(jī)驅(qū)動芯片,這要給motora A和motora B兩個電機(jī)腳分別輸入高低電平,就能實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)開關(guān)鎖。

        圖6 鎖具開關(guān)狀態(tài)檢測模塊設(shè)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(guān)鎖的工作事故,本文設(shè)計一種鎖具狀態(tài)檢電路,當(dāng)鎖舌閉合時,鎖舌上的磁鐵位于關(guān)鎖狀態(tài)位1號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,此時鎖具上報數(shù)據(jù)給服務(wù)器,顯示關(guān)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(yīng)讀取開鎖狀態(tài)位IO口數(shù)據(jù)就為0,當(dāng)非0-1,1-0等關(guān)鎖跟開鎖的狀態(tài)時 候,都是鎖具狀態(tài)異常的時候,這是服務(wù)器就會提醒管理人員去現(xiàn)場進(jìn)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(jié)構(gòu),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(wù)器后臺,實現(xiàn)有效的安全監(jiān)控。

        4 結(jié)束語

        通過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題。實現(xiàn)了遠(yuǎn)程開關(guān)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(yīng)用場景和使用價值。

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