基于NB-IoT通信的智能門鎖*

*基金項(xiàng)目：2019年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（CX2019189）；獲得“廣東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”-2020年“5G-AI”專題廣東省一等獎(jiǎng)

作者簡(jiǎn)介：梁友檳（1999—），男，主要從事 FPGA 異構(gòu)加速與嵌入式開發(fā)的學(xué)習(xí)。

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來臨，越來越多的智能設(shè)備走進(jìn)人們的生活，萬物互聯(lián)將會(huì)是將來發(fā)展的大趨勢(shì)。隨著90后與00后的成長(zhǎng)，人們對(duì)智能設(shè)備的接受程度將大大提升，智能家居的普及率將迎來一波新浪潮。而智能門鎖作為智能家居的一大切入點(diǎn)，將對(duì)人們接受智能家居產(chǎn)品起到重要作用。但是，目前市場(chǎng)上智能門鎖的多種開鎖方式導(dǎo)致其價(jià)格居高不下，傳統(tǒng)鑰匙開鎖的保留也導(dǎo)致其機(jī)械結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[3]。但實(shí)際上使用智能門鎖的用戶幾乎已不再使用鑰匙開鎖的方式。因此研發(fā)一款高性價(jià)比的智能門鎖具有重要意義。本文基于NB-IoT通信方式，以STM32L431RC作為主控MCU設(shè)計(jì)了一款密碼開鎖，手機(jī)APP開鎖兩種開鎖方式的智能門鎖。

1   系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本文系統(tǒng)主控芯片為STM32L431 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)門鎖系統(tǒng)的整體控制及信息交互。本文系統(tǒng)的三大功能模塊分別為基于NB-IoT 通信方式的移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制功能和基于4×4 矩陣鍵盤的密碼開鎖功能模塊，以及基于JR6001 語音控制芯片的語音播報(bào)功能模塊。系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示?；窘Y(jié)構(gòu)必不可少，鎖體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過控制微舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)鎖體的開關(guān)。為保證整個(gè)系統(tǒng)的完善性，本系統(tǒng)分別有電源模塊保證整個(gè)系統(tǒng)的正常供電從而穩(wěn)定運(yùn)行，基于OLED12864 液晶顯示屏模塊用于人機(jī)交互，提升用戶的使用體驗(yàn)。用戶可使用手機(jī)，電腦等移動(dòng)設(shè)備或通過矩陣鍵盤輸入正確的密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證與系統(tǒng)交互，獲得權(quán)限后可對(duì)門鎖進(jìn)行控制或使用修改密碼等服務(wù)。

1.2 主控芯片

綜合考慮芯片成本、功耗、工作頻率、可靠性等性能指標(biāo)，本文的門鎖系統(tǒng)的主控MCU 選擇STMicroelectronics 公司的低功耗STM32L431RCT6 系列。STM32L431RCT6 是一款超低功耗微控制器，基于高性能的ARM Cortex-M4 32 位RISC 內(nèi)核， 具有64 KB 的SRAM 與高達(dá)256 KB 的Flash ROM，工作頻率高達(dá)80 MHz，運(yùn)行在-40 ～ 85 ℃的溫度范圍內(nèi)，低功耗、低成本且高可靠性。

1.3 外圍電路

1.3.1 電源電壓適配模塊

電源控制模塊是基于RT8059GJ5 的高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的，適用于由單一鋰電池供電的電子設(shè)備，且其輸出電壓從2.8 V 至VIN 可調(diào)，為STM32L431 單片機(jī)機(jī)器外延電路提供穩(wěn)定的直流電，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作。不同模塊對(duì)于供電電壓有不同的需求，因此在硬件電路設(shè)計(jì)上使用大容量5 V 鋰電池外部輸入供電，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片RT8059GJ5 轉(zhuǎn)換為3.3 V 的電壓^[4]。電源控制模塊電路如圖2 所示。輸出的3.3 V 電壓作為按鍵解鎖模塊的穩(wěn)定供電，輸入的5 V 電壓同時(shí)為JR6001 語音控制模塊的語音播報(bào)模塊的供電系統(tǒng)，輸出的3.3 V 電壓作為主控芯片STM32L431、基于LED12864 的顯示模塊以及微舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的供電系統(tǒng)。當(dāng)EN 腳位為低電位時(shí)，進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，消耗電流小于0.1 μA。

圖2 電源電壓適配電路

1.3.2 微舵機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖體模塊

微舵機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖體模塊主要由SG90 舵機(jī)和基本鎖體組成如圖3 所示。舵機(jī)控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就會(huì)發(fā)生改變。SG90 舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖寬度成正比。因此，用STM32L431 單片機(jī)通過PWM 控制方式控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而帶動(dòng)鎖體的轉(zhuǎn)動(dòng)完成開關(guān)鎖的基本操作。

圖3 SG90舵機(jī)

1.3.3 OLED液晶屏顯示模塊

OLED 液晶屏顯示模塊主要由一塊0.96 英寸（注：1 英寸=2.54 cm）的OLED12864 組成，由于其較小的尺寸和比較高的分辨率，讓它有很好的顯示效果和便攜性。OLED 內(nèi)部集成OLED 液晶顯示屏、SSH1106 驅(qū)動(dòng)模塊和偏置電壓產(chǎn)生電路，單片機(jī)可通過IIC 協(xié)議控制其顯示相應(yīng)的內(nèi)容。利用中文字庫(kù)和圖形庫(kù)，可配合STM32L431 單片機(jī)，使其顯示任意的內(nèi)容，構(gòu)成友好的人機(jī)交互界面，即STM32L431 通過SDA 和SCL 兩條控制線對(duì)OLED 顯示屏顯示相應(yīng)的英文、漢字或圖形。OLED12864 顯示電路如圖4 所示。其主要的設(shè)計(jì)目的是指導(dǎo)用戶和門鎖系統(tǒng)更好地進(jìn)行人機(jī)交互。

圖4 OLED12864管腳圖

1.4 三大功能模塊

1.4.1 NB-IoT通信模塊

本文系統(tǒng)的采用的NB-IoT 通信模組為上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司（Quectel）的BC35-G 系列。NB-IoT 通信模組指的是將Baseband（基帶）芯片，RF芯片和NB-IoT 協(xié)議棧等組合在一塊PCB 上，并且向外提供硬件管腳和軟件接口的模組。在目前NB-IoT 通信模組的市場(chǎng)上，應(yīng)用比較廣泛的是移遠(yuǎn)通信的BC95和BC35-G 兩大系列。BC35-G 系列是BC-95 系列的增強(qiáng)型，優(yōu)化了定位、移動(dòng)性、功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率等模組性能，并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。此外，BC35-G尺寸小巧，功耗極低，工作溫度范圍極寬，被認(rèn)為是IoT 應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇，常被用于遠(yuǎn)程抄表、智慧城市、智能路燈、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域^[2]，用以提供完善的短信和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。因此，本文系統(tǒng)選用移遠(yuǎn)通信的BC35-G 系列的通信模組。BC35-G 模組可通過AT 命令控制，AT 命令作為一種接口標(biāo)準(zhǔn)，他有確定的命令格式與相應(yīng)的返回值。AT 命令的命令集一般都是以AT起始，以回車鍵結(jié)束。無論AT 命令能否成功執(zhí)行，都應(yīng)有相應(yīng)的返回值。使用軟件對(duì)STM32L431 進(jìn)行編程，設(shè)置串口通信波特率為9600 bit/s，STM32L431 通過發(fā)送AT 命令，可以很容易地對(duì)BC35-G 模組進(jìn)行控制。

1.4.2 密碼解鎖模塊

按鍵解鎖模塊用于密碼輸入、密碼修改等，采用4×4 矩陣行列式鍵盤。4×4 矩陣鍵盤有4 行4 列按鍵，使用STM32L431 的8 個(gè)I/O 口分別連接鍵盤的行線和列線，通過檢測(cè)電平變化，判斷是哪個(gè)按鍵按下。16 個(gè)鍵值分別是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、#、A、B、C、D。STM32L431 讀出輸入的4 位鍵值，與提前儲(chǔ)存在EEPROM 中的密碼進(jìn)行匹配，匹配成功后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)微舵機(jī)控制門鎖的打開。具體使用方式為先輸入“#”進(jìn)入密碼輸入模式，輸入4 位密碼后在按“#”結(jié)束，密碼正確或錯(cuò)誤都將有語音提示，正確即可打開門鎖，修改密碼的方法為先輸入“*”進(jìn)入密碼修改模式，修改密碼需要先輸入正確的密碼后再輸入需要修改的密碼，修改成功后新密碼將覆蓋原密碼儲(chǔ)存進(jìn)EEPROM 中且會(huì)有語音提示。鍵值輸入的過程也會(huì)通過OLED12864 進(jìn)行相關(guān)顯示。

1.4.3 語音播報(bào)模塊

語音播報(bào)模塊用于人機(jī)交互，對(duì)用戶的相關(guān)操作進(jìn)行語音提示，同時(shí)在用戶關(guān)鎖時(shí)進(jìn)行語音提醒。本文系統(tǒng)采用的語音控制芯片為JR6001 語音模塊，該模塊支持MP3、WAV 高品質(zhì)音頻格式，聲音優(yōu)美，24 位DAC輸出，動(dòng)態(tài)范圍支持90 dB，信噪比85 dB，支持AT 命令控制，控制方式簡(jiǎn)單，同時(shí)支持USB 更新語音文件，可輕松對(duì)存儲(chǔ)芯片中的語音進(jìn)行更新。

2   系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 智能門鎖軟件開發(fā)環(huán)境

NB-IoT 智能門鎖終端使用C 語言編寫開發(fā)程序，并且在Keil uVision5 下進(jìn)行編譯和調(diào)試。Keil uVision5窗口管理系統(tǒng)的靈活性很好。本文系統(tǒng)采用的開發(fā)軟件是Keil MDK-ARM，它的編譯器和調(diào)試工具均與ARM器件實(shí)現(xiàn)了最完美的匹配。通過Keil uVision5 開發(fā)環(huán)境支持的硬件調(diào)試器，開發(fā)人員可以方便地訪問被調(diào)試處理器的所有外圍設(shè)備，通過STLINK-V2 還可以直接燒錄下載程序。

圖5 軟件執(zhí)行流程

2.2 智能門鎖軟件實(shí)現(xiàn)

軟件的實(shí)現(xiàn)主要為完成模組初始化、參數(shù)設(shè)置、BC35-G 初始化檢查與數(shù)據(jù)收發(fā)等工作。軟件執(zhí)行流程如圖5 所示。系統(tǒng)上電后，首先初始化終端模塊；初始化完成后，調(diào)試軟件工作參數(shù)，如IP 地址、端口號(hào)及模塊頻率等；參數(shù)設(shè)置完成后，檢查BC35-G 模組的初始化狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、信號(hào)信息等。當(dāng)檢查完成后，即可與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過執(zhí)行AT（Attention）命令，門鎖終端對(duì)BC35-G 進(jìn)行操控。程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是以華為云IoT 服務(wù)器為媒介，移動(dòng)端設(shè)備發(fā)送信息給華為云IoT 云服務(wù)器，服務(wù)器接收到信息后發(fā)送相應(yīng)的信息給NB-IoT 模塊，NB-IoT 模塊接收信息后發(fā)送給STM32L431 單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的指定的信息運(yùn)行指定的程序。軟件工作流程圖如圖6 所示。通過華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)集成開發(fā)，可以將門鎖終端、華為云IoT 服務(wù)器平臺(tái)和移動(dòng)端APP 三部分進(jìn)行連接，輕易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備對(duì)門鎖的控制。

圖6 華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接流程圖

3   結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)門鎖系統(tǒng)存在的弊端以及智能家居設(shè)備走進(jìn)人們生活的時(shí)代發(fā)展背景，本文設(shè)計(jì)了一款以STM32L431 為主控芯片，以基于NB-IoT 通信方式的移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制和密碼按鍵為解鎖模式的智能門鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括由NB-IoT 通信模塊、基于4×4 矩陣鍵盤的密碼解鎖模塊、基于JR6001 語音控制芯片的語音播報(bào)模塊、微舵機(jī)SG90 驅(qū)動(dòng)鎖體結(jié)構(gòu)模塊，以及基于RT8059GJ5 高效率DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電源電壓適配模塊、OLED12864 顯示模塊組成的硬件系統(tǒng)，通過軟件編程對(duì)硬件系統(tǒng)實(shí)施控制，最終實(shí)現(xiàn)智能解鎖等主要功能。通過實(shí)際驗(yàn)證，本系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)門鎖準(zhǔn)確率的要求，同時(shí)為用戶帶來了良好的體驗(yàn)。智能門鎖整體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 智能門鎖整體結(jié)構(gòu)圖

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）