基于NB-IoT和蓝牙技术的智能门控系统设计
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摘 要
本文介绍了基于NB-IoT信号传输和近场蓝牙BLE技术相结合的智能门控系统，通过智能监控器及传感器组，实时监测门和锁具的状态、箱体内部温湿度、倾斜、震动、等状态，监测控制器电量信息，并通过NB-IoT模组将状态数据实时上传至物联网监控平台。本文对系统架构和硬件电路设计、监控平台软件功能等做出详细的介绍，该系统优势在于功耗低、实用性强，为行业用户提供智能便捷的技术服务。
关键词
物联网;NB-IoT;蓝牙BLE;智能监控;低功耗
中图分类号： TS914.211.7;TN925 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.014
0 引言
随着电子信息技术的飞速发展，物联网技术提升到国家战略高度，研发和应用进程加速并不断取得实质性进展。物联网核心技术包括传感测试技术、网络通信技术、云计算等，具有广域覆盖、大容量、超低功耗和低成本等特点，目前在远程监控、共享经济、智慧产业等行业得到了日益广泛的应用。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）在覆盖距离、功耗、成本、接入数量等性能上明显优于4G、5G、NFC、ZigBee、蓝牙、Wifi/ WAPI等其它技术，可以实现真正的万物互联，具有更加广阔的应用前景。
在传统的电力行业和通信行业等应用场景，很多设备箱体位于室外，且距离较远，其状态监测和维护主要依赖于传统的人工巡查和处置，资产安全和管理维护效率难以保障。在仪器控制和资产管理向着智能化、远程化方向发展，本文提供了远程NB-IoT广域网通信技术和近场蓝牙BLE5.0技术相结合的智能监控系统方案，为客户提供更加智能和便捷的服务及技术支持[1]。
1 系统架构
本文主要介绍智能门控系统设计方案，系统包含传感器组、智能监控器、电子锁、电源模块等硬件模块，以及物联网监控平台软件和蓝牙手机APP应用软件。系统架构如图1所示。
该系统通过门磁行程开关、温湿度、倾斜、震动、水浸传感器，实时监测门和锁具的状态、箱体内部温湿度、倾斜、震动、等状态，可以监测控制器电量信息，并通过NB-IoT模组将状态数据实时上传至物联网监控平台。蓝牙手机APP通过平台授权后，与监控器内部的蓝牙模块配对，可以近距离控制打开电子锁具，也可以通过平台远程控制开锁。当出现非法开门、箱体倾斜、水浸、供电电量过低等异常状态时，物联网平台发出报警信息并通过蓝牙手机APP客户端通知相关人员进行维护[2]。
该系统主要定位服务于室内外箱体和门的监控管理，用以解决光交箱、电力柜、保险柜、安全门、设备间等系统管理和维护的不便。潜在用户包括：中国移动、中国电信、中国联通各大通信运营公司、国家电网公司、银行、建筑、制造厂商等，相比于传统的机械锁具，该系统优势显而易见：状态实时监控，远程授权开锁，异常状态报警，以上功能可以切实地解决行业痛点，满足用户需求，实现更加智能和便捷的维护管理。与目前市场上的同类产品相比，本系统功能更加完善，且待机实际长，实用性更强[3]。
2 系统设计
2.1 智能监控器硬件电路设计
智能监控器硬件电路根据功能划分，分为MCU控制电路、NB模组、蓝牙模块等，实现开关、温湿度、有无倾斜、水浸及电量信息等状态检测，同时将以上信息上传至管理平台，实现状态信息的实时监测和远程控制。各选模块选型和设计重点关注功耗指标，以满足现场超长待机的需求。
2.1.1 MCU主控模块
该系统MCU选用STM32L151CBT6A，供电电压为DC+ 1.65V～+3.6V。该芯片属于Contex-M3超低功耗系列，睡眠状态功耗低至0.28uA，唤醒时间小于8us，满足该系统性能要求，延长系统工作时间，减少后期维护成本。芯片FLASH为128kb，RAM为32kb，具有SUB2.0、SUART、SPI、I2C等通信资源，满足数据传输需求。电路原理图如图2所示。
MCU采用外部16MHz晶振作为系统时钟，采用外部32.768KHz晶振作为RTC实时时钟，在系统掉电时可以保持备份寄存器数据和系统时间等。
MCU连接门磁、门锁开关可以实时监测门和锁具的状态，判断是否存在非法开门、误开门和长时间不闭合等问题。连接温湿度、倾斜、水浸传感器，监控箱体内部温湿度、倾斜等状态。接入供电电压用于指示控制器电量信息。当以上状态存在异常时，MCU控制发出报警提示。
MCU外接三种颜色的LED指示灯，指示系统的供电及工作状态是否正常。
该系统选用容量为8KⅩ8Bits的FRAM芯片MB85 RC64，通过I2C 与MCU进行通信，存储监控器传感器组测到的状态信息和其它异常记录等。
MCU通过串口方式与蓝牙模块进行通信，蓝牙模块正常处于待机休眠状态，被唤醒后与外部蓝牙手机APP进行配对，接受到APP开锁指令后传送至MCU，通过控制信号驱动锁体内部的电机，实现机械开锁操作。
2.1.2 蓝牙BLE5.0模组
蓝牙模块采用BLE5.0系列HY-40R204I，内部集成TI蓝牙芯片CC2640，采用GFSK调制方式，频率范围2.402～2.480MHz，供电电压DC+2.0～3.6V，接收灵敏度为-94dBm。模块支持透传模式和直驱模式，分为主机、从机、主从一体三个版本，支持全双工串口通信。模块在睡眠模式功耗为3uA，关机模式为0.15 uA，且唤醒响应时间在微秒级别，具有板载IPEX外接天线，传输距离可达100米以上，满足系統现场适用距离。 本文智能監控系统中，蓝牙模块为从机模式，采用UART方式与MCU通信，监控器蓝牙模块总是处于睡眠模式，触摸锁体外部的唤醒开关即可唤醒蓝牙模块进入广播状态，通过蓝牙手机APP搜索到监控器蓝牙模块，进行配对连接成功后，在APP上可进行开锁操作和工单管理，蓝牙模块接收到指令并通过MCU模块下达开锁信号，门锁接收到DO信号后，实现开锁控制。
2.1.3 NB-IoT模组
NB-IoT模组采用中国电科天博电子信息科技有限公司自主研发的TB22通信模组。
该模块内嵌网络服务协议栈，采用LCC封装，满足终端设备小型化需求，同时具有多频段、超低功耗和超宽温度范围等优异性能，目前已成为远程抄表、共享单车、智慧城市、安防、智能家电、农业和环境监测等物联网领域的理想选择。
MCU通过串口方式与NB模组进行通信，结合外置天线和SIM卡，将智能监控器监测到的信息实时发送至物联网监控平台，发送的信息格式和时间间隔等参数可以根据现场需求通过程序进行设置。监控平台可以下发授权权限和开锁指令等，MCU接收到相关指令后进行相应的控制和操作。
2.2 电子锁
电子锁根据现场需求选择适用型号，采用外采集成的方式完成系统设计，开锁方式有远程开锁，手机APP开锁两种模式。本文中主要介绍相关功能和技术指标。电子锁为无源锁芯，工作温度为-40～+80℃，防护等级为IP67，采用DC+3.3V供电，具有开关锁记录存储功能，可以通过LED灯指示工作状态，具有良好的防潮防腐蚀性能，适用于多尘潮湿等室外复杂环境。
2.3 电源模块和低功耗设计
系统采用DC+5V锂亚硫酰氯电池供电，容量16000mAh。在电源输入端加上过流保护和自恢复保险，设置电压监测端口，当电量过低时发出报警提示。MCU和蓝牙模块工作电压为DC+3.3V，使用DC-DC电源转换模块XC6504A331MR-G，将电源电压转换为DC+3.3V，满足监控器电路供电需求。当系统正常工作时可进入低功耗休眠模式，设置定时器和锁体外部触发唤醒两种模式结合，电池满足系统持续工作2年以上。电源模块电路如图3所示。
3 物联网监控平台软件
物联网监控平台软件系统设计注重实用性、开放性、安全性、可靠性、高效性、易维护性原则，系统架构为基于J2EE的多层体系结构，结合WEB SERVICE技术，以搭积木式的方式灵活快速地构建Internet/Intranet应用系统，动态地适应需求的变化，开发维护方便，代码的可重用性和扩展性高[4]。
系统功能主要包括电子地图、系统管理、报警管理、接入平台、移动APP等。
系统登陆后，默认显示地图，并在地图上标记每个箱体锁的位置，点击每个箱体锁标识后进行详情查看，可以看到具体的状态、信息、报警等内容。
管理员进入系统管理界面，对用户、部门、权限、角色、进行设置、增加、修改、删除，可以在系统中记录菜单操作日志，包括操作菜单、操作用户、部门、操作的URL、请求方式、操作者的IP地址、操作时间等信息，并设置查询菜单，方便查询日志信息。
当状态异常时，智能监控系统发出报警，在平台软件和App上可以看到报警信息，用户可以通过报警信息对箱体锁进行处理，并将处理结果通过App反馈到平台中。在报警定义和服务模块，可以生产报警处理记录，并实现自动新增报警的逻辑，有接受信息通知等待处理和定时自动消警等处理模式。确定处理完成后人工选择状态为已通知或正常。
接入平台是本系统的数据中心，包括设备接入、数据处理、数据存储、数据分析、数据服务等物联网基本功能。
移动APP推出使用Android和IOS系统适用的不同版本，包括设备详情、工单管理、开锁操作、通知推送等功能[5]。
4 小结
该系统设计合理，功能全面且实用，结合蓝牙BLE5.0和NB-IoT技术实现近距离控制及信号的远程传输，在功能和技术指标上相比于同类产品，优势明显，性价比高，具有良好的市场和应用前景。
参考文献
[1]何英杰，杨书华等.基于NB-IoT的低功耗智能光交箱门控系统设计[J].无线互联科技，2019-2（4）：19-20.
[2]谢运洲，NB-IOT技术详解与行业应用[M].科学出版社：8-30.
[3]张坤鳌，郭泽梅.基于NB-IoT的光交箱管理系统研究与开发[J].计算机技术与发展，2019（11）：211-215.
[4]孙长翔，徐斌，汪文杰，杨连营.基于物联网的光交箱状态在线监测系统[J].通讯世界，2015（03）：226-228.
[5]白志帅，穆士留，张峰，赵留.基于BLE技术的智能门控系统[J].自动化与仪表，2017-32（4）：67-71.
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