基于NB-IoT技術(shù)的智能井蓋鎖系統(tǒng)的設計

孫鋼燦，趙傳勇，張寧寧

(鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

城市化進程加快，井蓋事故和被盜事件頻發(fā)[1,2]，而且城市井蓋數(shù)量巨大，傳統(tǒng)的人工巡檢不能做實時監(jiān)測，并且很多都是公共窖井，各方打開井蓋無記錄，不能對窖井進行有效的管理。近年來有人提出了很多種解決方案，文獻[3]的方案雖然能解決實時監(jiān)測問題，但存在中繼網(wǎng)關(guān)的安裝和維護成本較大等缺點，且ZigBee沒有專用頻段，通信干擾較大[4]，大多數(shù)的方案如文獻[5]只是實現(xiàn)了監(jiān)測，安全性沒有得到提高。在研究和分析已有井蓋監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，設計并實現(xiàn)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)[6](narrow band internet of things，NB-IoT)技術(shù)集監(jiān)測和鎖定于一體的智能井蓋鎖管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STM32L051系列低功耗芯片作為控制器，NB-IoT為通信方式，結(jié)合近場通信(near field communication，NFC)標簽、電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換電路的設計，可以實現(xiàn)低功耗、可靠性通信，運用NFC讀寫工作模式設計了開關(guān)鎖協(xié)議，詳細介紹了系統(tǒng)的工作原理，最后通過安裝測試驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設計

設計一個智能井蓋鎖系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩大功能：一是實現(xiàn)機械鎖的鎖定功能，通過驅(qū)動電機配合特定的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)開鎖和關(guān)鎖，只有專用開鎖設備得到授權(quán)才能打開鎖，并對開鎖信息進行記錄；二是實現(xiàn)對井蓋狀態(tài)的監(jiān)測，井蓋如有傾斜實時報警，方便管理人員及時處理問題。

智能井蓋鎖系統(tǒng)基于NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)，系統(tǒng)總體設計如圖1所示，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)分層模型將系統(tǒng)分成感知層、網(wǎng)絡層和應用層，感知層獲取井蓋傾斜及開鎖數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡模塊進行上傳；網(wǎng)絡層負責傳遞和處理感知層獲取的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺；應用層負責將井蓋鎖相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到電腦或手機端。從而實現(xiàn)井蓋鎖通過NB-IoT網(wǎng)絡與云服務器的遠程連接，異常及開鎖信息及時上傳到云服務器，達到對井蓋鎖的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)包含兩大部分：井蓋鎖終端和云服務器。井蓋鎖終端主要由控制芯片、NFC標簽、NB-IoT通信、電機驅(qū)動、傾斜監(jiān)測等模塊組成，井蓋鎖與專用開鎖設備之間通過NFC進行通信，實現(xiàn)開關(guān)鎖。

圖1 系統(tǒng)總體設計框架

2 硬件電路設計

2.1 NFC標簽模塊

M24LR04是意法半導體公司推出的一款新型無線存儲器芯片，工作頻率為13.56 MHz。該芯片擁有4 Kbit EEPROM，具有支持ISO 15693和ISO 18000-3協(xié)議標準的射頻通信接口和400 Kb/s速率的標準IIC串行有線接口[7]。可通過無線射頻接口模式和有線IIC接口模式兩種方式對NFC標簽讀寫。在無線射頻接口的模式下，以接收到的射頻載波信號為工作電源，存儲器結(jié)構(gòu)為位，一次可以寫入32 bit的數(shù)據(jù)；在有線IIC接口模式下，接收處理器發(fā)來的IIC讀寫信號，并通過VCC電源線供電，工作電壓選擇3.3 V，其存儲結(jié)構(gòu)為位。M24LR04的電路連接如圖2所示，M24LR04芯片的SCL、SDA引腳接控制芯片的I2C1_SCL和I2C1_SDA引腳。

圖2 NFC標簽模塊電路

2.2 NB-IoT模塊

相較于ZigBee和遠距離無線電(long range radio，LoRa)等短距離無線通信技術(shù)，NB-IoT優(yōu)勢明顯[8]，NB-IoT是在長期演進技術(shù)(long team evolution，LTE)基礎(chǔ)上對其進行減小信令開銷和優(yōu)化功耗推出的一種無線通信技術(shù)，是低功耗廣域網(wǎng)的代表。可直接借助現(xiàn)有的運營商基站搭建NB-IoT網(wǎng)絡，可采取帶內(nèi)、保護帶及獨立載波3種部署方式，無需重新組網(wǎng)。由于井蓋分布比較分散，采用NB-IoT作為系統(tǒng)通信方式，能夠有效降低部署網(wǎng)絡的成本，同時節(jié)省了大量的人力物力。

NB-IoT模塊采用穩(wěn)恒科技生產(chǎn)的WH-NB73模塊，該模塊基于華為Boudica 120芯片，支持3GPP Release 13標準協(xié)議，工作在B5頻段，支持IP、UDP和CoAP這3種協(xié)議，相較于GPRS，有20 dB的信號強度增益，并且Boudica 120芯片集成了AP+CP+SP這3個ARM內(nèi)核，采用低功耗設計，能夠滿足系統(tǒng)功能的需求。NB-IoT模塊電路設計如圖3所示，工作電壓為3.6 V，通過串口與控制芯片通信，模塊UART0_RXD和UART0_TXD引腳分別接主控芯片的USART2_TX和USART2_RX引腳。為防止靜電對USIM卡及芯片造成損壞，須要增加TVS管進行靜電保護，作為(electro-static discharge，ESD)防靜電措施。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊采用直流減速電機，配合特定的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)開關(guān)鎖的，驅(qū)動芯片為MX113L芯片，電機驅(qū)動模塊電路設計如圖4所示，MX113L芯片的工作電壓為2 V-8 V且待機電流小于0.1 μA，能夠滿足低功耗的需求。驅(qū)動電路必須添加對地去耦電容[9]C20，其目的有兩個：一是吸收馬達向電源釋放的能量，穩(wěn)定電源電壓，避免電路因為過壓而被擊穿；二是在馬達起動或者快速正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)切換的瞬間，馬達需要瞬間大電流才能迅速啟動，由于電池不能立即輸出瞬態(tài)大電流，故需要添加電容。由于電機模塊電壓不高，故選擇4.7 μF的電容。當芯片引腳IN1和IN2輸入低電平時，驅(qū)動模塊處于待機模式；當芯片引腳IN1輸入高電平、IN2輸入低電平時，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)；反之則電機倒轉(zhuǎn)。

2.4 電源和傾斜監(jiān)測模塊

整個鎖體電路采用3.6 V ER34615型鋰電池供電，由于MCU和NFC標簽需要3.3 V電壓，故通過低壓差線性穩(wěn)壓器輸出固定3.3 V電壓。傾斜監(jiān)測采用BL-108 20°傾斜滾珠開關(guān)，接控制芯片GPIO口，當傾斜度數(shù)超過20°時，為通路狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全方向傾斜觸發(fā)。滾珠開關(guān)在常通狀態(tài)容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，在使用時應讓開關(guān)是斷開狀態(tài)，傾斜導通才能觸發(fā)動作。故滾珠開關(guān)一腳可接高電平，控制芯片外部中斷設置為上升沿觸發(fā)。

圖3 NB-IoT模塊電路

圖4 電機驅(qū)動模塊電路

2.5 控制芯片

通過對實現(xiàn)功能分析和物聯(lián)網(wǎng)低功耗的特點，智能井蓋鎖終端控制芯片采用STM32L051C8T6芯片，該芯片基于32位的ARM Cortex-M0+內(nèi)核，最高主頻為32 MHz，有8 KB RAM和64 KB FLASH[10]。片上資源豐富，能夠滿足傾斜監(jiān)測、電機驅(qū)動、NB-IoT通信和NFC標簽讀寫等需求，而且物聯(lián)網(wǎng)終端控制芯片大多處于待機模式等待喚醒的狀態(tài)，STM32L051系列能夠在滿足功能設計的情況下，提供更低的功耗。控制芯片及各功能模塊之間協(xié)同工作如圖5所示。

圖5 智能井蓋鎖鎖體控制

3 軟件設計

3.1 無線通信設計

NB-IoT模塊負責井蓋鎖終端和應用服務器之間的通信問題。NB-IoT模塊配置通過AT指令完成，主要包括初始化USIM卡，搜索網(wǎng)絡信號、綁定IP地址、建立數(shù)據(jù)鏈接等。智能鎖終端控制芯片將采集到的鑰匙開鎖和傾斜異常等數(shù)據(jù)按照表1所示的幀格式進行編碼，通過串口以AT命令的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT模塊，為降低功耗，串口波特率設置為9600。然后NB-IoT模塊通過CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)管理平臺；物聯(lián)網(wǎng)平臺收到數(shù)據(jù)后自動尋找編解碼配置文件，將CoAP協(xié)議包解析為Json格式的數(shù)據(jù)并存儲；應用層軟件通過物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的北向接口獲取數(shù)據(jù)。為滿足低功耗的設計，在控制芯片進入休眠模式，會通過IO口發(fā)送關(guān)機脈沖，關(guān)閉通信模塊。當需要上傳數(shù)據(jù)時，控制芯片會發(fā)送開機脈沖給NB-IoT模塊，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)出。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

3.2 開關(guān)鎖軟件設計

開關(guān)鎖是由電機驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，鎖體與鑰匙設備之間通過NFC讀寫模式進行通信，采用ISO 15693標準協(xié)議。NFC技術(shù)由無線射頻技術(shù)(RFID)發(fā)展而來[11]，其技術(shù)的基本工作原理并不復雜。一般要經(jīng)過偵測標簽，讀取標簽和數(shù)據(jù)處理等。

系統(tǒng)的NFC通信流程如圖6所示，主要包括系統(tǒng)初始化和開關(guān)鎖協(xié)議設計兩個部分，首先，NFC標簽大部分時間處于休眠狀態(tài)，當有NFC閱讀器天線靠近標簽由磁場耦合獲得足夠的能量時，NFC標簽被喚醒進入準備狀態(tài)，同時通過外部中斷引腳喚醒鎖體控制芯片切換至正常工作狀態(tài)，完成系統(tǒng)近場通信的初始化。

圖6 NFC通信流程

開關(guān)鎖的設計流程如圖7所示，主要通過控制無線射頻接口和IIC接口讀寫NFC標簽EEPROM實現(xiàn)的。M24LR04提供一個特殊的密碼式保護機制，每個扇區(qū)都配有一個安全狀態(tài)字節(jié)[7]，具體見表2。b0設置為1，開啟扇區(qū)鎖保護，b2和b1設置為10，只有提交密碼時扇區(qū)才可以讀寫，b4和b3設置為01，采用密碼1保護各個扇區(qū)。鑰匙設備向NFC標簽發(fā)送密碼，若校對密碼正確，然后進行權(quán)限驗證，其設計思想是，每個鎖NFC標簽的EEPROM的Block 0中存儲鎖的16位ID信息，若授權(quán)鑰匙設備開鎖，將其ID信息寫入鑰匙設備的FLASH中，鑰匙設備讀取該鎖的ID信息，并與FLASH存儲的ID信息進行校驗。當權(quán)限通過時，需要讀取該鎖的狀態(tài)標志位，以便發(fā)送開鎖或關(guān)鎖命令，即對EEPROM 的Block 1中寫入開鎖標志位或關(guān)鎖標志位。鎖體控制芯片通過IIC接口讀取該標志位，從而發(fā)送驅(qū)動電機命令，實現(xiàn)開關(guān)鎖。開關(guān)鎖完成后，控制芯片發(fā)送命令擦除該標志位，并且將開鎖信息通過NB-IoT網(wǎng)絡發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。

圖7 開關(guān)鎖流程

表2 扇區(qū)安全狀態(tài)字節(jié)結(jié)構(gòu)

3.3 低功耗方案設計

本系統(tǒng)選擇STM32L051C8T6芯片作為智能井蓋鎖終端電路控制芯片，STM32L051系列是意法半導體公司推出的低功耗芯片，STOP模式下最大待機電流僅為0.8 μA，并且3.5 μs即可被喚醒。在低功耗設計的思路上，采用的是終端無數(shù)據(jù)傳輸時，將除SWD調(diào)試接口外的所有IO設置成模擬輸入模式，關(guān)閉所有外設的時鐘，然后控制芯片進入STOP模式。喚醒采用RTC定時喚醒或外部中斷喚醒，喚醒后重新配置要使用的IO和外設，發(fā)送數(shù)據(jù)。當智能井蓋鎖安裝完成后，位置固定，故其網(wǎng)絡信號基本不會變化，電量信息和信號強度每3個小時上傳一次，電量預警、設備掉線、井蓋發(fā)生傾斜以及開鎖時，會觸發(fā)外部中斷喚醒終端。實際待機的電流僅為20 μA，達到了低功耗的設計要求。

3.4 云服務器軟件設計

應用層軟件采用Java語言開發(fā)，工程由主流的Spring+Spring MVC+Mybatis框架搭建。該部分主要實現(xiàn)的是通過物聯(lián)網(wǎng)平臺北向接口獲取數(shù)據(jù)以及進行處理顯示，方便管理人員查看。軟件接入百度地圖，將每個智能鎖安裝的位置標注在地圖上，鼠標點擊標識點可以顯示該智能鎖的電量和網(wǎng)絡信號信息，并且設置標識點顏色表示智能鎖正常工作、電量不足和掉線3種狀態(tài)。為了方便管理人員，應用層主要包括以下各模塊：①授權(quán)中心：該模塊負責添加鑰匙設備，并對鑰匙開鎖進行授權(quán)。②站點管理：根據(jù)窖井的類型或者分布區(qū)域?qū)w進行分類或分區(qū)管理，方便管理人員查看分管的井蓋。③鎖具中心：包含鑰匙管理和智能鎖管理兩部分，主要負責對井蓋鎖和鑰匙設備進行刪除和重命名，以及顯示鑰匙授權(quán)信息。④消息中心：包括授權(quán)消息列表、設備信息和開關(guān)鎖日志3種消息。授權(quán)消息列表主要包含授權(quán)鑰匙設備、授權(quán)鎖具、授權(quán)開始和結(jié)束時間；設備信息負責顯示井蓋的狀態(tài)信息包括信號、電量是否傾斜等信息；開關(guān)鎖信息是對每次開鎖、關(guān)鎖的時間和鑰匙設備進行記錄。⑤報表中心：該模塊是對每天井蓋鎖的狀態(tài)進行一個宏觀的查看，可以分站點顯示出設備最近一周的運行狀況，以日期為橫軸，以正常、打開、異常3種狀態(tài)的井蓋數(shù)量為縱軸做一個實時的折線圖，整體運行狀況清晰可見。

4 系統(tǒng)測試

在安裝智能井蓋鎖終端之前要對其進行初始化，用手機APP工具將編寫的鎖16位ID通過NFC功能寫入到NFC標簽的EEPROM中，并將開關(guān)鎖狀態(tài)標志位寫入，默認為開鎖狀態(tài)。鎖體裝置由鎖芯、圓形孔、鎖盒和連桿組成，鎖芯通過圓心孔連接連桿，通過鎖定鎖芯的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)開關(guān)鎖，NFC標簽線圈固定在鎖芯上部設計的凹槽內(nèi)，該裝置可直接在原有井蓋上打孔安裝，極大節(jié)省了成本。安裝時調(diào)整鎖舌磁鐵極性使其與標志位匹配。每個井蓋鎖通過NB-IoT平臺和云服務器通信，保證了信號安全可靠的傳輸。實地安裝完成后，在應用層軟件中添加井蓋鎖信息，并在接入的百度地圖中進行位置標注。運行界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)測試運行效果

經(jīng)過半年多的實地測試，每個智能井蓋鎖終端都能夠及時反饋報警信息，并且可以實現(xiàn)井蓋傾斜、電量不足和設備掉線報警，以及開鎖關(guān)鎖信息及時上傳，能夠有效幫助管理人員對井蓋進行監(jiān)測與管理。

5 結(jié)束語

本文基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計了一個智能井蓋鎖系統(tǒng)，結(jié)合電機驅(qū)動模塊、滾珠開關(guān)、NFC標簽實現(xiàn)井蓋鎖智能化，同時可通過電腦端實時監(jiān)測井蓋的狀態(tài)。

本文首先整體分析了智能井蓋鎖系統(tǒng)的功能，然后詳細闡述了各個模塊的基本原理和硬件設計，根據(jù)NFC技術(shù)的特點，設計了一種開關(guān)鎖協(xié)議，介紹了軟件實現(xiàn)流程，給出了低功耗解決方案，并設計了管理軟件。實驗測結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、組網(wǎng)簡單、實時性響應良好等特點，能夠防止井內(nèi)設備被盜，及時反饋井蓋傾斜信息。配合設計的鎖體裝置，可直接在原來井蓋上安裝。代替了人工巡檢，提高了管理人員的效率，為智慧城市的建設打好基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)尚在研發(fā)測試階段，以后的研究方向?qū)⑹沁M一步實現(xiàn)比如溫度、氣體等監(jiān)測功能，優(yōu)化功耗，通過復雜的環(huán)境測試系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，以及設計手機APP利用手機NFC功能實現(xiàn)開關(guān)鎖，以便于管理人員進行高效的管理。