□□ 張 鈺 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

目前，樓宇智能門鎖系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信普遍采用WIFI、藍(lán)牙協(xié)議棧BLE、ZigBee和NB-IoT等通信技術(shù)，各種類型的智能門鎖特點(diǎn)見表1。由表1可知，現(xiàn)有技術(shù)不能滿足穩(wěn)定性、長距離傳輸和低功耗等工程應(yīng)用需求，同時存在用戶體驗(yàn)差、管理不便和安全性較低等問題。因此，擬設(shè)計(jì)一種基于改進(jìn)型LoRa的智能鎖系統(tǒng)，充分利用LoRa通信協(xié)議功耗低、通信距離長和頻段免費(fèi)等特點(diǎn)，使得智能門鎖具有安全性高、成本低和便于管理等特點(diǎn)。

表1 無線通信協(xié)議的智能門鎖

1 改進(jìn)型LoRa智能門鎖系統(tǒng)框架

智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)開放式系統(tǒng)互連OSI(Open System Interconnect)參考模型為依托，設(shè)計(jì)自南到北的模塊化功能，智能門鎖系統(tǒng)由物理層、網(wǎng)絡(luò)層和云端服務(wù)層等三部分組成，智能門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LoRa門鎖系統(tǒng)總體框架

其中，物理層主要是LoRa通信模塊，LoRa通信模塊為小區(qū)每個用戶的門鎖；網(wǎng)絡(luò)層為LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其是各用戶門鎖LoRa通信數(shù)據(jù)的匯聚中心，實(shí)現(xiàn)與物理層和LoRa服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊；云端服務(wù)層由云端服務(wù)控制和應(yīng)用服務(wù)控制組成，用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理和設(shè)備管理，云端服務(wù)控制是遠(yuǎn)程控制LoRa智能門鎖服務(wù)的各種功能的后臺遠(yuǎn)程維護(hù)，應(yīng)用服務(wù)控制是在手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)用戶與智能門鎖系統(tǒng)之間的交互功能。

2 改進(jìn)型LoRa智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 物理層

智能門鎖系統(tǒng)的物理層設(shè)計(jì)如下：

(1)硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于LoRa通信模塊中各個核心部件的選用。首先是控制器芯片型號的選擇，核心芯片確定后，基于實(shí)現(xiàn)的功能選擇外圍電路模塊。

(2)軟件設(shè)計(jì)。基于硬件資源開發(fā)的軟件功能和手機(jī)Android APP軟件。根據(jù)功能需求，智能門鎖系統(tǒng)的核心芯片采用低功耗STM32系列芯片，系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用改進(jìn)性LoRa通訊協(xié)議。

2.1.1核心芯片

智能門鎖核心芯片的選用是基于LoRa的STM32系列芯片，其主控芯片型號為STM32L151C8T6D。智能門鎖由LoRa主控芯片模塊、1.8寸串口TFT觸摸屏模塊、PAM8610數(shù)字微型功放板、直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊(驅(qū)動電壓12 V)和DC電池模塊(具有升壓功能)組成，如圖2所示。

圖2 基于LoRa的門鎖硬件組成圖

通信模塊是整個門鎖系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵，故使用支持LoRa通信協(xié)議芯片，其型號為STM32L151C8T6D，該芯片的微控器功耗低、可擴(kuò)展性好、穩(wěn)定性高且性價比高。智能門鎖的RF射頻模塊采用利爾達(dá)芯片模塊，型號為LSD4RF-2F717N30。

2.1.2軟件開發(fā)

物理層硬件芯片代碼由STM32 CubeMX軟件生成，是基于芯片型號的硬件模塊化初始代碼包，再利用uVision5進(jìn)行模塊化應(yīng)用開發(fā)，如圖3所示。

圖3 硬件芯片代碼模塊化編程

模塊化的硬件編程大大縮短了開發(fā)時間。由STM32 CubeMX軟件生成的模塊化代碼包中包括LoRa智能門鎖功能性設(shè)計(jì)中所需要功能的基礎(chǔ)代碼、觸摸屏顯示與交互和低功耗模式選擇等。硬件功能開發(fā)設(shè)計(jì)思路是LoRa智能門鎖系統(tǒng)初始化完成后，與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊；注冊成功后，智能門鎖與網(wǎng)關(guān)之間保持暢通的無線網(wǎng)絡(luò)通信；智能門鎖打開外部中斷控制服務(wù)，轉(zhuǎn)入低功耗休眠模式，此時智能門鎖系統(tǒng)的所有功能將由外部中斷控制激活；激活后智能門鎖系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)主程序，根據(jù)外部中斷功能調(diào)用對應(yīng)中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)中斷控制，其主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

在完成系統(tǒng)初始化、MAC初始化、設(shè)備入網(wǎng)、設(shè)備注冊、開啟中斷服務(wù)并轉(zhuǎn)入低功耗休眠模式后，等待外部中斷信號喚醒系統(tǒng)，外部中斷信號分為觸摸屏喚醒信號和遠(yuǎn)程APP控制中斷信號。智能門鎖系統(tǒng)在未接收到外部中斷信號時，系統(tǒng)一直處于低功耗的休眠模式，并關(guān)閉觸摸屏和語音播報等功能。當(dāng)智能門鎖系統(tǒng)接收到外部中斷信號時，會立即喚醒系統(tǒng)，由低功耗模式轉(zhuǎn)入正常工作模式，啟動觸摸屏功能、語音播報功能以及遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)全功能操作控制模式，并且通過判斷外部中斷信號來源，根據(jù)不同的信號來源執(zhí)行不同的中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗休眠模式。為此智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制和觸摸屏控制子程序模塊，具體如下：

(1)遠(yuǎn)程控制模塊。遠(yuǎn)程控制功能通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)連接LoRa網(wǎng)關(guān)，由LoRa網(wǎng)關(guān)控制智能門鎖節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)初始化配置智能門鎖節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的LoRa通訊接收機(jī)每隔0.2 s進(jìn)行信道活動檢測(CAD)，檢測信道中LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送的遠(yuǎn)程呼叫信號。若有遠(yuǎn)程呼叫信號，LoRa通訊接收機(jī)接收并檢查信號來源，產(chǎn)生遠(yuǎn)程控制中斷信號，遠(yuǎn)程控制中斷信號喚醒休眠中的智能門鎖系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式，并產(chǎn)生外部控制外圍設(shè)備，激活外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能門鎖功能，完成遠(yuǎn)程控制操作。其中遠(yuǎn)程控制信號指令分為4種狀態(tài)，分別為“0”、“1”、“2”和六位字母和數(shù)字密碼，分別對應(yīng)開鎖、關(guān)鎖、緊急關(guān)鎖和新密碼。開鎖功能執(zhí)行后，恢復(fù)系統(tǒng)初始化狀態(tài)，恢復(fù)觸摸屏功能，系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)后進(jìn)入低功耗休眠模式。

(2)觸摸屏控制模塊。觸摸屏功能主要是密碼開鎖和呼叫遠(yuǎn)程控制開鎖。在密碼開鎖控制中，用戶連續(xù)敲擊兩次，喚醒觸摸屏，顯示和語音播報“歡迎主人回家！”，并在觸摸屏的下一行顯示“請輸入密碼”按鈕，同時喚醒智能門鎖系統(tǒng)，觸摸按鍵開啟系統(tǒng)控制時間中斷函數(shù)，設(shè)置10 s定時器功能，在10 s內(nèi)輸入密碼，按下確認(rèn)鍵后密碼輸入結(jié)束，系統(tǒng)定時器功能結(jié)束，關(guān)閉定時器和觸摸屏功能。若輸入密碼正確時執(zhí)行開鎖，生成開鎖日志信息，發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠模式；若輸入密碼錯誤時則顯示和語音播報：“密碼輸入錯誤，請重試！”，同時時間定時器復(fù)位，重新定時10 s，用戶可重新輸入；若輸入錯誤密碼次數(shù)≥6時，觸摸屏則啟動鎖死功能，鎖死功能一旦觸發(fā)，將啟動鎖死事件定時器，該鎖死功能定時為12 h，用戶在12 h時之內(nèi)無法使用觸摸屏，觸摸屏上顯示和語音播報：“密碼輸入錯誤，請明天重試！”，該時間段內(nèi)用戶只能使用手機(jī)APP開鎖。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)關(guān)開發(fā)選用SX1262LORA無線470M網(wǎng)關(guān)擴(kuò)頻開發(fā)模塊。LoRa網(wǎng)關(guān)的功能是支持固定IP和動態(tài)域名解析方式連接數(shù)據(jù)中心，并且支持透明傳輸協(xié)議、通用模式(主動輪抄，定時上報)和MQTT協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)LoRa協(xié)議智能門鎖節(jié)點(diǎn)通過LoRa網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)與LoRa云端服務(wù)器的鏈接。LoRa網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 LoRa網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

LoRa網(wǎng)關(guān)將門鎖節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換成Json格式的加密數(shù)據(jù)。通過以太網(wǎng)IPv4傳輸給LoRa服務(wù)器，由LoRa服務(wù)器備份數(shù)據(jù)，再將加密的Json數(shù)據(jù)使用MQTT協(xié)議發(fā)送給云端服務(wù)器，供服務(wù)層和應(yīng)用層實(shí)時解析數(shù)據(jù)并控制。選用改進(jìn)型的LoRa技術(shù)同步疊加信號的解調(diào)方式進(jìn)行LoRa通信，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與通用型LoRa的性能比較見表2。

2.3 云端服務(wù)層

云端服務(wù)層由LoRa服務(wù)控制和功能性維護(hù)控制組成。其中LoRa服務(wù)控制負(fù)責(zé)管理和對接LoRa底層網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)管理和控制功能；LoRa服務(wù)控制是管理功能，基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)；前后端都部署在云端服務(wù)器；LoRa服務(wù)控制網(wǎng)頁界面使用Visual Studio進(jìn)行Windows界面設(shè)計(jì)開發(fā)，功能有權(quán)限設(shè)置、注冊用戶信息修改和用戶信息修改；LoRa服務(wù)控制的數(shù)據(jù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲信息，并用MyBatis管理數(shù)據(jù)庫。功能性維護(hù)控制的數(shù)據(jù)鏈表由驅(qū)動軟件、用戶控制日志、開關(guān)鎖日志、用戶信息和用戶密碼信息(WPA2-PSK)等數(shù)據(jù)組成，用來存儲設(shè)備、鍵盤鎖定狀態(tài)和設(shè)備所屬用戶的信息。LoRa服務(wù)器使用開源的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，具有云端服務(wù)控制和應(yīng)用服務(wù)控制兩部分功能。

手機(jī)APP應(yīng)用開發(fā)使用Android Studio軟件基于Android 5.0系統(tǒng)開發(fā)APP應(yīng)用，如圖6所示。手機(jī)APP和服務(wù)器之間采用C/S架構(gòu)，采用http協(xié)議進(jìn)行通信；APP登錄成功之后，用戶與遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過HTTP協(xié)議向服務(wù)器進(jìn)行交互，接收當(dāng)前門鎖信息；在APP上顯示當(dāng)前門鎖的狀態(tài)，用戶通過APP發(fā)送控制指令，控制智能門鎖。

圖6 Android Studio開發(fā)界面

3 改進(jìn)型LoRa智能門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用測試

在某學(xué)校6層宿舍樓對基于改進(jìn)型LoRa智能門鎖系統(tǒng)進(jìn)行功能性測試和通訊穩(wěn)定性測試。其中功能性測試如圖7所示。

圖7 APP智能門鎖控制記錄

通訊穩(wěn)定性測試是在帶寬和傳輸速率一致的條件下，LoRa擴(kuò)頻因子使用SF12，一對多收發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)行10次測試，其丟包率見表3。

表3 LoRa智能門鎖系統(tǒng)丟包率

4 結(jié)語

利用LoRa通信技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用于智能門鎖?；诟倪M(jìn)型LoRa智能鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)了LoRa智能門鎖系統(tǒng)，通過測試該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可行，且該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、公共免費(fèi)傳輸頻段、耗能低和安全性高等特點(diǎn)。