基于NB-IoT通信的智能門(mén)鎖*

*基金項目：2019年校級大學(xué)生創(chuàng )新訓練項目（CX2019189）；獲得“廣東省大學(xué)生電子設計競賽”-2020年“5G-AI”專(zhuān)題廣東省一等獎

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

摘要：隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，越來(lái)越多的智能設備走進(jìn)人們的生活，萬(wàn)物互聯(lián)將會(huì )是將來(lái)發(fā)展的大趨勢。隨著(zhù)90后與00后的成長(cháng)，人們對智能設備的接受程度將大大提升，智能家居的普及率將迎來(lái)一波新浪潮。而智能門(mén)鎖作為智能家居的一大切入點(diǎn)，將對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(mén)鎖的多種開(kāi)鎖方式導致其價(jià)格居高不下，傳統鑰匙開(kāi)鎖的保留也導致其機械結構更加復雜[3]。但實(shí)際上使用智能門(mén)鎖的用戶(hù)幾乎已不再使用鑰匙開(kāi)鎖的方式。因此研發(fā)一款高性?xún)r(jià)比的智能門(mén)鎖具有重要意義。本文基于NB-IoT通信方式，以STM32L431RC作為主控MCU設計了一款密碼開(kāi)鎖，手機APP開(kāi)鎖兩種開(kāi)鎖方式的智能門(mén)鎖。

1   系統硬件架構

1.1 系統硬件組成

本文系統主控芯片為STM32L431 單片機，實(shí)現門(mén)鎖系統的整體控制及信息交互。本文系統的三大功能模塊分別為基于NB-IoT 通信方式的移動(dòng)端遠程監測控制功能和基于4×4 矩陣鍵盤(pán)的密碼開(kāi)鎖功能模塊，以及基于JR6001 語(yǔ)音控制芯片的語(yǔ)音播報功能模塊。系統硬件組成如圖1 所示?；窘Y構必不可少，鎖體結構設計主要通過(guò)控制微舵機的轉動(dòng)驅動(dòng)鎖體的開(kāi)關(guān)。為保證整個(gè)系統的完善性，本系統分別有電源模塊保證整個(gè)系統的正常供電從而穩定運行，基于OLED12864 液晶顯示屏模塊用于人機交互，提升用戶(hù)的使用體驗。用戶(hù)可使用手機，電腦等移動(dòng)設備或通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入正確的密碼進(jìn)行身份驗證與系統交互，獲得權限后可對門(mén)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，本文的門(mén)鎖系統的主控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 內核， 具有64 KB 的SRAM 與高達256 KB 的Flash ROM，工作頻率高達80 MHz，運行在-40 ～ 85 ℃的溫度范圍內，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轉換器設計的，適用于由單一鋰電池供電的電子設備，且其輸出電壓從2.8 V 至VIN 可調，為STM32L431 單片機機器外延電路提供穩定的直流電，保證系統的正常運作。不同模塊對于供電電壓有不同的需求，因此在硬件電路設計上使用大容量5 V 鋰電池外部輸入供電，再經(jīng)穩壓芯片RT8059GJ5 轉換為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定供電，輸入的5 V 電壓同時(shí)為JR6001 語(yǔ)音控制模塊的語(yǔ)音播報模塊的供電系統，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驅動(dòng)電路的供電系統。當EN 腳位為低電位時(shí)，進(jìn)入關(guān)機模式，消耗電流小于0.1 μA。

圖2 電源電壓適配電路

1.3.2 微舵機驅動(dòng)鎖體模塊

微舵機驅動(dòng)鎖體模塊主要由SG90 舵機和基本鎖體組成如圖3 所示。舵機控制線(xiàn)的輸入是一個(gè)寬度可調的周期性方波脈沖信號，當方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機的轉動(dòng)角度就會(huì )發(fā)生改變。SG90 舵機的轉動(dòng)角度與脈沖寬度成正比。因此，用STM32L431 單片機通過(guò)PWM 控制方式控制舵機的轉動(dòng)角度，從而帶動(dòng)鎖體的轉動(dòng)完成開(kāi)關(guān)鎖的基本操作。

圖3 SG90舵機

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 內部集成OLED 液晶顯示屏、SSH1106 驅動(dòng)模塊和偏置電壓產(chǎn)生電路，單片機可通過(guò)IIC 協(xié)議控制其顯示相應的內容。利用中文字庫和圖形庫，可配合STM32L431 單片機，使其顯示任意的內容，構成友好的人機交互界面，即STM32L431 通過(guò)SDA 和SCL 兩條控制線(xiàn)對OLED 顯示屏顯示相應的英文、漢字或圖形。OLED12864 顯示電路如圖4 所示。其主要的設計目的是指導用戶(hù)和門(mén)鎖系統更好地進(jìn)行人機交互。

圖4 OLED12864管腳圖

1.4 三大功能模塊

1.4.1 NB-IoT通信模塊

本文系統的采用的NB-IoT 通信模組為上海移遠通信技術(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，應用比較廣泛的是移遠通信的BC95和BC35-G 兩大系列。BC35-G 系列是BC-95 系列的增強型，優(yōu)化了定位、移動(dòng)性、功耗、數據傳輸速率等模組性能，并且增強了系統的安全性。此外，BC35-G尺寸小巧，功耗極低，工作溫度范圍極寬，被認為是IoT 應用領(lǐng)域的理想選擇，常被用于遠程抄表、智慧城市、智能路燈、農業(yè)和環(huán)境監測等領(lǐng)域^[2]，用以提供完善的短信和數據傳輸服務(wù)。因此，本文系統選用移遠通信的BC35-G 系列的通信模組。BC35-G 模組可通過(guò)AT 命令控制，AT 命令作為一種接口標準，他有確定的命令格式與相應的返回值。AT 命令的命令集一般都是以AT起始，以回車(chē)鍵結束。無(wú)論AT 命令能否成功執行，都應有相應的返回值。使用軟件對STM32L431 進(jìn)行編程，設置串口通信波特率為9600 bit/s，STM32L431 通過(guò)發(fā)送AT 命令，可以很容易地對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(pán)。4×4 矩陣鍵盤(pán)有4 行4 列按鍵，使用STM32L431 的8 個(gè)I/O 口分別連接鍵盤(pán)的行線(xiàn)和列線(xiàn)，通過(guò)檢測電平變化，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，與提前儲存在EEPROM 中的密碼進(jìn)行匹配，匹配成功后單片機驅動(dòng)微舵機控制門(mén)鎖的打開(kāi)。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“#”結束，密碼正確或錯誤都將有語(yǔ)音提示，正確即可打開(kāi)門(mén)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存進(jìn)EEPROM 中且會(huì )有語(yǔ)音提示。鍵值輸入的過(guò)程也會(huì )通過(guò)OLED12864 進(jìn)行相關(guān)顯示。

1.4.3 語(yǔ)音播報模塊

語(yǔ)音播報模塊用于人機交互，對用戶(hù)的相關(guān)操作進(jìn)行語(yǔ)音提示，同時(shí)在用戶(hù)關(guān)鎖時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音提醒。本文系統采用的語(yǔ)音控制芯片為JR6001 語(yǔ)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(yǔ)音文件，可輕松對存儲芯片中的語(yǔ)音進(jìn)行更新。

2   系統軟件的設計與開(kāi)發(fā)

2.1 智能門(mén)鎖軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

NB-IoT 智能門(mén)鎖終端使用C 語(yǔ)言編寫(xiě)開(kāi)發(fā)程序，并且在Keil uVision5 下進(jìn)行編譯和調試。Keil uVision5窗口管理系統的靈活性很好。本文系統采用的開(kāi)發(fā)軟件是Keil MDK-ARM，它的編譯器和調試工具均與ARM器件實(shí)現了最完美的匹配。通過(guò)Keil uVision5 開(kāi)發(fā)環(huán)境支持的硬件調試器，開(kāi)發(fā)人員可以方便地訪(fǎng)問(wèn)被調試處理器的所有外圍設備，通過(guò)STLINK-V2 還可以直接燒錄下載程序。

圖5 軟件執行流程

2.2 智能門(mén)鎖軟件實(shí)現

軟件的實(shí)現主要為完成模組初始化、參數設置、BC35-G 初始化檢查與數據收發(fā)等工作。軟件執行流程如圖5 所示。系統上電后，首先初始化終端模塊；初始化完成后，調試軟件工作參數，如IP 地址、端口號及模塊頻率等；參數設置完成后，檢查BC35-G 模組的初始化狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò )信號、信號信息等。當檢查完成后，即可與基站進(jìn)行數據傳輸。通過(guò)執行AT（Attention）命令，門(mén)鎖終端對BC35-G 進(jìn)行操控。程序主要實(shí)現的功能是以華為云IoT 服務(wù)器為媒介，移動(dòng)端設備發(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，單片機根據接收到的指定的信息運行指定的程序。軟件工作流程圖如圖6 所示。通過(guò)華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺集成開(kāi)發(fā)，可以將門(mén)鎖終端、華為云IoT 服務(wù)器平臺和移動(dòng)端APP 三部分進(jìn)行連接，輕易實(shí)現移動(dòng)設備對門(mén)鎖的控制。

圖6 華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺對接流程圖

3   結束語(yǔ)

針對傳統門(mén)鎖系統存在的弊端以及智能家居設備走進(jìn)人們生活的時(shí)代發(fā)展背景，本文設計了一款以STM32L431 為主控芯片，以基于NB-IoT 通信方式的移動(dòng)端遠程控制和密碼按鍵為解鎖模式的智能門(mén)鎖系統。該系統還包括由NB-IoT 通信模塊、基于4×4 矩陣鍵盤(pán)的密碼解鎖模塊、基于JR6001 語(yǔ)音控制芯片的語(yǔ)音播報模塊、微舵機SG90 驅動(dòng)鎖體結構模塊，以及基于RT8059GJ5 高效率DC-DC 轉換器的電源電壓適配模塊、OLED12864 顯示模塊組成的硬件系統，通過(guò)軟件編程對硬件系統實(shí)施控制，最終實(shí)現智能解鎖等主要功能。通過(guò)實(shí)際驗證，本系統能滿(mǎn)足實(shí)際應用中對門(mén)鎖準確率的要求，同時(shí)為用戶(hù)帶來(lái)了良好的體驗。智能門(mén)鎖整體結構如圖7 所示。

圖7 智能門(mén)鎖整體結構圖

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）