一種基于4G Cat1技術的電子鑰匙系統

王軍偉，姚春良，魯展，黃湘婉，岑悅，柳偉杰

（寧波生久科技有限公司，浙江寧波，315423）

0 引言

由于移動運營商的策略調整，2/3G清頻退網已成行業大勢，NB-IOT、4G Cat1、5G等主流網絡將閃亮登場。對于物聯網從業者來說，選擇網絡是非常重要的事情，但是現在的網絡各有優缺點，2/3G有退網威脅，5G價格太貴、還在推廣階段、網絡覆蓋小，NB-IOT慢、基站少、信號差、經常掉線。而其中，4G Cat1憑借中速率、低延時、廣覆蓋、低功耗、較低成本等特點而被市場看好。4G Cat1全稱為4G LTE UECategory1，是4G通信LTE網絡下用戶終端類別的一個標準。目前有使用藍牙BLE技術的智能電子鎖和電子鑰匙，也有使用NBIOT或2/3G無線模塊的電子鑰匙和電子鎖。2/3G無線模塊的電子鑰匙或電子鎖有因移動運行商2/3G清頻退網風險；NBIOT網絡覆蓋還主要集中在城市，信號還不夠穩定，對光交箱、鐵塔等行業運維管理的電子鎖還不太適用，特別像電子鑰匙這種需要移動的電子設備，NBIOT就不太適用，網絡小區切換造成上網不了或很慢是其致命缺點；使用藍牙BLE技術的電子鑰匙需要借助移動終端（手機）APP軟件來實現授權開關鎖和數據收發，但移動終端（手機）APP是裝在使用者的設備里，不受監控，軟件有可能被破譯，安全有問題，特別應用到電力、通訊等安全要求高的行業，這種技術和方法有安全隱患。本文回顧了各種無線聯網技術在電子鎖系統應用的局限性，提出一種基于4G Cat1技術的電子鑰匙系統，使其主要解決現有同類電子鑰匙需要借助智能終端（手機）APP軟件授權開鎖、2/3G電子鑰匙無線網絡退網風險等問題；同時具有兼容原有電子鎖開啟方法、通過藍牙開帶藍牙的電子鎖、通過觸點開無源電子鎖芯的電子鎖、通過NFC開啟NFC電子鎖等優點。

1 基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統設計

圖1 是基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統架構圖，展示了整個系統開鎖功能流程的實現，管理員可通過USB虛擬串口對鑰匙進行鑰匙配置，設置上網的IP地址、端口、通訊密鑰和軟件升級功能；管理員通過云服務器的管理系統授權電子鑰匙開鎖或安裝任務；操作員持有授權鑰匙和NFC授權身份卡現場完成安裝或開鎖任務；電子鑰匙自動將開鎖或安裝事件自動上傳到云服務器；管理員通過管理系統查詢事件。整個授權過程和事件上報都建立在4G CAT1無線通訊技術基礎之上。

圖1 基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統架構圖

2 基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙設計

智能電子鑰匙DS915-2有聲光、顯示屏提示，顯示屏選用了OLED真彩屏，菜單方式顯示，通過4個按鍵來操作顯示屏，內置4G CAT1模塊EC600,MCU芯片GD32E103等芯片，其電路原理圖如圖2所示。4G CAT1電子鑰匙1具有對無源鎖進行供電通訊、對有電源的鎖進行通訊，鑒權成功后開鎖，并負責和物聯管理平臺2無線網絡通訊，獲取NFC電子標簽信息等功能，4G CAT1電子鑰匙1包括主芯片MCU電路10、USB充電通訊電路11、4G CAT1無線通訊模塊12、單點供電通訊電路13、藍牙無線通訊電路14、NFC供電通訊電路15、顯示驅動電路16、顯示屏17、穩壓電路18、充電電池19，主芯片MCU電路10通過和4G CAT1無線通訊模塊12、單點供電通訊電路13、藍牙無線通訊電路14、NFC供電通訊電路15電路交互來實現授權開鎖功能；顯示驅動電路16、顯示屏17用于顯示4G CAT1電子鑰匙1所需要的一些人機信息；穩壓電路18、充電電池19是電源的保證。

圖2 基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統原理圖

4G CAT1無線通訊模塊12采用了移遠通訊公司的EC600,具備中速率、低延時、廣覆蓋、低功耗、封裝緊湊、較低成本、可移動通訊等特點，為4G CAT1電子鑰匙1提供了可靠的移動通訊保障，電子鎖的安裝、開鎖業務可以實時和物聯管理平臺2聯網，交互信息；主芯片MCU電路10采用的是兆易創新基于ARM Cortex-M4 RISC核的32位MCU芯片GD32E103，主頻120MHZ，可滿足本智能電子鑰匙功能需求。

單點供電通訊電路13通過二線分時共享供電通訊方法對無源鎖芯3供電并讀取鎖信息，通過主芯片MCU電路10鑒權發出開鎖指令。二線分時共享供電通訊方法借用了1WIRE的概念，1根電源兼收發通訊線，另1根為地線，本智能鑰匙將單點觸頭的外殼作為地線，這樣就變成了外形為單點的鑰匙頭，和無源鎖芯3的單點鎖孔配合開鎖。

藍牙無線通訊電路14通過藍牙無線通訊方法和藍牙電子鎖4通訊，鑒權開鎖。

NFC供電通訊電路15可以讀取NFC電子標簽6等射頻卡或標簽，獲取持卡人信息，經物聯管理平臺2認證是否合法用戶；也可以通過本電路對無源NFC電子鎖5充電并和其無線通訊交互開鎖等工作。

圖3 為基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統功能圖，本系統可實現以下功能：與無源鎖芯通信實現開鎖指令、閉鎖指令、讀取鎖具狀態、初始化鎖；OLED顯示實現電量、時間、任務查詢、執行、充電、上網狀態指示；4G CAT1直連數據平臺實現用戶鑒權、任務下發、事件上傳；NFC實現用戶信息讀取、與NFC鎖通信開鎖；低功耗、開關機、充電管理實現電子鑰匙休眠時最低功耗，小于1微安電流的消耗，電池電壓監測、充電芯片管理。

圖3 基于4G CAT1技術的智能電子鑰匙系統功能圖

3 結論

本智能電子鑰匙系統通過4G CAT1無線通訊技術實現電子鑰匙直連物聯管理平臺，鑒權獲取安裝、開鎖任務等信息來實現實時安裝、開鎖，并將安裝、開鎖事件實時上傳到物聯管理平臺，無需其他智能終端如手機的協助；同時具備可以開啟多種鎖具，藍牙鎖具、無源電子鎖芯鎖具、NFC有源無源鎖具，對鎖具的管理可以一把鑰匙統一管理，讓鎖具管理簡單、安全、精準。