基于NBIoT的智能门锁及其管控系统设计
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摘 要：针对零星房源对智能门锁及其配套设施的安装有诸多限制条件的现状，本文设计制造了一套面向零星房源租赁业务的窄带物联网（NBIoT）智能门锁管控系统。该系统不仅可无线远距离控制智能门锁，还可准确管理租户的相关信息，有效克服了多区域零星房源的管控难题。实际项目应用表明该系统可靠稳定，拥有良好的市场应用前景和推广价值。
关键词：零星房源 窄带物联网 智能门锁 管控系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0073-02
随着经济社会的不断发展和城乡一体化进程的加快，解决城市低收入人群的住房问题变得尤为紧迫。为缓解住房压力，多地将本区域存量商品住房等零星房源纳入到公租房租赁管理业务中[1]。然而，由于零星房源所在的小区通常不适合二次施工，原本适用于集中式建设公租房的智能门锁已无法直接应用，相应的智能门禁等管控系统也无法施展其用处。基于此，NB技术开发的设备不再要求用户自建接入网关，部署简单，有效克服了多区域零星房源智能管控中遇到的施工安装、远程控制等难题。
1 系统总体设计
面向零星房源的NBIoT智能门锁管控系统主要包括NBIoT智能门锁、NBIoT基站、NBIoT核心网、NBIoT平台、门锁管控平台以及住房租赁業务管理平台等多个重要组成部分。依照国家和相关行业标准及项目特殊使用要求，NBIoT智能门锁在开发设计中采用了PSM（省电模式）来实现低功耗性能[2]。在实际使用中，通过AT指令对相应的定时器进行配置，设计NB模块休眠时间，达到低功耗目的。
2 门锁硬件设计
NBIoT智能门锁硬件选用STM32L431作为主控芯片，外围硬件电路包括串口电路、射频识别电路、指纹模块接口电路、按键操作电路、NB模组接口电路、电源电路、电机控制电路、语音报警电路等，整体硬件电路框图如图1所示。
STM32L431芯片是一款超低功耗单片机芯片，具备256KB的Flash和64KB的SRAM，最高时钟工作频率是80MHz，可有效存储多组IC/身份证卡片信息、密码信息、催缴费策略信息以及多种类型的开门报告记录，同时可高效接收并处理平台端下发的各类指令数据，选用该款主控芯片可有效应对极限情况下的数据实时性和准确性要求。考虑到公租房项目中一户家庭可能存在多个家庭成员，且还允许多户合租，这就要求指纹模块需要保存多个指纹特征数据，同时由于公租房租户多为低收入人群，为保证地区安全，防止转租转借的现象发生，指纹模块必须具备一定的防伪能力。综合以上因素，选用了SM-66H2半导体指纹模块，其认假率<0.0001%。语音芯片使用WTN6系列，可超低功耗待机，待机模式下静态电流小于5μA，通过IO口控制语音播报。电机驱动芯片使用NY9M012B，具有低电源及低成本的特性。芯片具有1.5A以上的输出电流能力，低待机电流为0.1μA，通过LPTIM低功耗定时器控制电机转动。
3 门锁软件设计
NB模组与IoT平台之间的数据交互基于CoAP协议实现，并通过DTLS协议保障两者之间的链路安全;而NB模组与主控芯片之间则通过UART实现通信，并利用AT指令集协议实现数据互传，整个门锁嵌入式系统基本遵循层次进行设计开发。门锁在接通电源后即开始初始化时钟、触摸按键模块、射频识别模块、指纹模块、NBIOT BC35-G模组等功能模块。按键模块唤醒/射频识别模块唤醒/指纹触摸唤醒/供电检测请求时唤醒系统，并进行联网通信，随后进入卡开锁/密码开锁/指纹开锁等功能模块。当射频模块、按键模块或指纹模块其中之一被唤醒后，相应的业务流程便会启动，激活NB模组与IoT平台进行通信，当门锁既无外部输入也无平台侧的指令交互任务，一旦满足休眠条件，便会主动进入休眠状态。
4 门锁管控平台设计
NBIoT智能门锁管控平台软件采用前后分离的设计方式进行架构开发，前端基于PC浏览器进行开发，通过后台服务提供的RESTful统一接口，采用JSON方式完成接口调用[3]。后台采用分布式微服务框架解耦各个内部服务模块，统一对外提供RESTful接口服务，处理和存储业务数据，通过各种安全管控手段，与IoT平台实现设备数据交互、与第三方业务平台实现数据同步。为提升与IoT平台之间交互的可靠性和稳定性，管控平台采用启动一个监听进程的方式进行并发高效处理，当监听进程收到来自IoT平台转发的设备数据，首先解析出设备类型，再根据该类型启动相应的线程进行处理，并确定是否需要向智能门锁发送指令数据。
5 项目应用
杭州易和网络有限公司智慧社区事业部研发团队应杭州住保办要求，针对零星房源的公共租赁业务专门组建了一个基于城域网的智能门锁管控系统管理网络，通过NBIoT的方式与门锁进行通信，对入户门开启权限进行控制，实现零散型房源的智能化统一管理。
该套智能门锁管控系统主要由杭州市住房保障和房产综合管理系统、公租房智能门禁管控平台、电信物联网平台以及NBIoT智能门锁等重要部分组成。杭州市住房保障和房产综合管理系统包含配租、续租、退租、调房、换房、延期等复杂业务，而所有的业务数据都汇聚在中间数据库进行交互。公租房智能门禁管控平台将业务数据同步至本地数据库，并结合门锁协议将这些数据转换成指令数据缓存至Redis缓存中，待门锁唤醒上报数据，便将缓存中的指令数据即时下发，经电信物联网平台转发至终端智能门锁，再按照同一链路将执行结果反馈至智能门禁管控平台。
6 结语
本文设计制造了一款基于NBIoT的智能门锁，同时以零星房源的租赁业务为项目依托，以电信物联网平台为支撑设计并实现了一套智能门锁管控系统，实现了对终端设备的远程无线控制，同时也很好地融入了各种业务需求。通过实际应用，整套系统联网正常，运行稳定可靠，拥有良好的市场应用前景。
参考文献
[1] 方天启.公租房退出机制研究[D].浙江工业大学，2017.
[2] 中华人民共和国公安部.电子防盗锁：GA 374-2019[S].北京：中国标准出版社，2019.
[3] 陈振亚，蒋泰.一种基于以太网的防尾随电梯门禁控制系统[J].计算机工程与应用，2016（22）：232-237.
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