基于物联网的智能家居门锁联动系统设计-USB迷|专注于互联网分享

2024年5月18日发(作者：农幼白)

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DOI： 10.16661/.1672-3791.2212-5042-7506

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基于物联网的智能家居门锁联动系统设计

高绪国

(上海祖程电子科技有限公司上海 201619)

摘要：随着科技水平的提高，智能化家居中的一种新型智能锁已经引起了广泛的关注。随着社会的发展，

在保证个人的财产安全的前提下，如何使门锁更加便捷和智能化，已经是一个十分重要的课题。NB-IoT是

一种新型的技术，能够在蜂窝网络中实现低功率器件的数据互联，在更长的等待和有效地接入需要更多的网

络设备，并且可以在内部实现一个无缝的无线接入。该文首先对窄带网络技术进行了简要的阐述，并对其优

点和不足进行了比较；其次，针对智能门禁的需求，给出了相应的解决办法；然后详细介绍了系统的硬件设计

和数据传输设计；最后，实现了各模块之间的数据收集。在STM32软件的基础上，对智能门禁系统进行了分

类，包括接收与解析、数据格式、GPRS远程数据传送。通过对上述数据的采集和数据的处理，根据上述的设

计需求，对数据的接收和传输性能进行了试验。

关键词：智能化门锁物联网技术 NB-IoT

中图分类号： TP273文献标识码： A 文章编号： 1672-3791(2023)15-0028-04

Design of the Door Lock Linkage System of the Smart Home

Based on Internet of Things

GAO Xuguo

(Shanghai Zucheng Electronic Technology Co., Ltd., Shanghai, 201619 China)

Abstract: With the improvement of the scientific and technological level, a new type of intelligent lock in the

smart home has attracted extensive attention. With the development of society, on the premise of ensuring personal

property safety, how to make door locks more convenient and intelligent has become a very important topic. NB-

IoT is a new technology, and it can realize the data interconnection of low-power devices in cellular networks, can

wait longer and effectively access to network equipment with more requirements, and can realize a seamless wireless

access internally. Firstly, this paper briefly expounds narrow band network technology, compares its advantages and

disadvantages, and gives corresponding solutions for the demand of intelligent access control. Then it introduces the

hardware design and data transmission design of the system in detail. Finally, it realizes the data collection among

modules. On the basis of STM32 software, intelligent access control systems are classified, including reception and

analysis, data format and GPRS remote data transmission. Through the collection and processing of the above data,

according to the above design requirements, the data receiving and transmission performance is tested.

Key Words: Intelligence; Door lock; Internet of Things; NB-IoT

智能锁是一种区别于传统的机械式锁，它采用了

先进的信息技术，将无线、生物技术相融合，使其具有

更高的用户识别、安全性能和管理便捷性。当前市面

上常见的智能锁有电子密码锁、生物识别锁、射频感应

锁等。目前，人们普遍认为，与常规的机械式门禁相

比，安全性能得到了很大的改善，但是，对用户的口令

仍然容易被人窥探，而且其安全性也需要进一步改进；

NB-IoT技术不但解决了传统机械锁存在的问题，改善

作者简介：高绪国（1984—），男，大专，研究方向为智能家居。

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了其安全性能，同时也为其操作和管理带来了便利，使

得其外形更加美观时尚

[1]

。所以，研究高稳定性、高可

靠性、远距离、低成本的NB-IoT技术是非常重要的，但

也面临着极大的挑战。

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打开，电子锁具可以根据门禁的情况来判定门禁，并将

情况汇报到信息接收处理平台

[4]

。图1显示了该体系

的构成。

2.2 功能要求

（1）该终端可以利用GPRS与系统监测平台进行

通信，将设备状态信息、GPS定位数据等信息进行

报告。

（2）监控平台可通过GPRS网络给终端发送指令

进行锁车/解锁控制。

（3）在将系统供电电压偏低报警信息、系统供电电

压、内建电池电压数据、GPS位置信息等转换到内部电

池供电之前，将所述系统供电电压偏低报警信息、所述

系统供电电压、所述内嵌电池电压数据、GPS位置信息。

2.3 基于物联网的智能门锁联动系统设计

2.3.1 STM32 BC95介绍

BC95是一款低功耗、高性能的NB-IoT无线通信

系统。它的大小只有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm，可最

大程度地适应小型组件的需要，在减少产品体积和降

低成本的前提下。BC95与移动通信的GSM/GPRS系

发与更新。同时，SMT芯片技术也使BC95在复杂的使

用场合中有着很高的可靠性

[5]

。

2.3.2 系统硬件模块设计

（1）中心控制模块。

在图2中给出了中央控制模块的设计架构。这一

功能主要用于监视门禁信息采集的状态，并对获得的

数据进行一定的处理，或是按照使用者在主机上的运

1 相关技术概述

1.1 窄带物联网概念

NB-IoT技术是一种新型的网络技术，能够在蜂窝

网络中实现低功率器件的数据互联，也称为Low-WAN

（LPWA）。NB-IoT可以在更长的等待和有效地接入需

要更多的网络设备上，并且可以实现内部的无线数据

接入

[2]

。

1.2 NB-IoT的部署方式

该技术支持3个部署模式：单独部署、保护带部

署、内部部署。Guard-band方式：能够充分发挥LTE中

的边沿无效波段。内部模块：LTE载波之间的任意资

源都可以使用。

（1）RF带宽180 kHz（上行/下行）（考虑两边保护

带，也被描述为200 kHz）。

（2）下行：OFDMA，子载波间隔15 kHz。

[3]

Multi-tone（15 kHz）。

（3）上行：SC-FDMA，Single-tone（3.75 kHz/15 kHz），

列M95模块相匹配，方便用户进行快速灵活的产品开

2 基于物联网的智能家居门锁联动系统设计

2.1 设计原理

该智能门锁通过与全球定位系统（GPS）进行连

接，并在RS485端口上提供其他的探测数据；电子锁具

可以与 GPRS系统进行通信，可以让远程的监控系统

知道门禁的具体位置和状态，还可以发出命令，让门禁

图1 系统示意图

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图2 中心控制模块结构图

行情况发布相应的控制命令，这个结点就成为了整个

网路中的一个协调者。

（2）门锁状态采集模块。

该模块的主要作用是：利用锁芯内部的传感器对

锁芯的开、关状态进行检测，用PIC18F4620进行数据

分析，然后将其传输到中央控制器；当中央控制单元接

收到该消息后，向该单元发出一条确定消息，该消息由

CC2420接收并传输到该处理器，这时该信号就会闪

动，表示该数据传输已经完成。这部分重点介绍了如

何实现信号的变换和显示的电路

[6]

。

2.3.3 数据传输

（1）MAC层是对上层的资料进行统一的处理，根

据前面的说明，MAC层和上层的服务数据信道只有

DTCH，所以没有任何的数据优先权，也没有信号和服

务的区别。

（2）当上一级的资料传输到MAC层时，在MAC层

的界面会生成一个分组序号识别，MAC层将这个分组

分割后，由MAC PDU中的SDU（服务数据单位，服务数

据单位）子报文中的SN（序号、顺序编号）编号识别，SN

编号的分组是同一上码组，SDU子报文中增加FI识别

以表示SDU是较高的分组的开头和结尾，如果FI=1，

表示这个SDU是上一层的分组的结尾，FI=1表示这个

SDU是一个较高的分组。

3.2 GPRS远程数据传输

3.2.1 GPRS网络连接

在SIM900A模块初始化之后，GPRS的网络接入也

就是TCP接入。TCP连接提供了一种基于网络的、可

靠的、具有稳定的数据传送机制，TCP具有非常复杂的

传送机制，可以确保数据的正确传送，TCP中的握手和

中断都是有严格的方法的，在数据传送中，存在超时重

传、滑动窗口、流量控制和TCP检查等。GPRS系统采

用UART2和STM32处理器进行通信，SIM900采用AT+

CIPSEND指令，每次传送1 024位元。传输指令可以在

超过1 024个字节时被反复利用。SIM900采用UART2

实现了对数据的采集和传输。

3.2.2 数据帧格式定义

在将数据传送到站台时，电子锁会含有 GPS的位

置和车牌号码等复杂的信息；所以在与平台进行数据

交换时，必须遵守某种特定的通信规则，使其可以进行

正常的数据封装、传送和接收。GPS_Data的数据框包

括数据框标记位、电子锁跟车的经纬度、时间和车辆牌

照号。

4 基于物联网的智能门锁联动系统数据采集测试

4.1 通信距离与丢包率测试

丢包率是指没有接收到的分组和传输的总的测试

分组的比例。丢包率与通信距离、数据包长度、数据传

输率等相关，还受到周边的环境条件的制约。在此基

础上，利用NB-IoT协调程序与手提计算机进行了串行

接口，并将终端的电池电源与协调器组合体组成的网

络进行了比较。经过多次重复测试，平均测试结果

见表1。

从实验的数据来看，在房间里，通信的距离可以达

到50 m，而在户外，则是在140 m的范围内。这并不能

满足大规模的楼房和住宅区。因此，此方案还采用了

多个路由结点，扩大了通信范围，同时满足了小区内智

能门禁的分布特征。

3 基于物联网的智能门锁联动系统数据采集

3.1 GPS数据帧接收和解析

GPS通信模块在与物流锁定期间，通过被动地接

受来自于卫星的数据。通过GPS与各颗卫星的握手数

据进行了交互，得到了GPS与GPS之间的假距离，并利

用该方法求出了GPS的四大关键参数：经度、纬度、高

度、时间。通过本身的信号进行分析，得到的交通工具

的时间、速度和位置等。GPS模块在终端机与车辆进

行工作时，将不断地接受到卫星的导航信息

[7]

。

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表1　　丢包率测试结果表

发送数据接收数据

包次数

500

包次数

500

468

500

494

356

丢包

率/%

6.4

1.2

28.8

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点集中在一个屋子里，因此，这个数据量要比实际情况

要大得多。因此，这种智能化的门禁控制装置可以被

广泛地用于大约100个小区。

测试环境通信距离/m

室内

室外

100

120

140

160

5 结语

智能门禁系统是一种新型的智能化住宅系统。随

着社会的发展，在保证个人的财产安全的前提下，如何

使门锁更加便捷和智能化，已经是一个十分重要的课

题。NB-IoT技术是一种新型的网络技术，能够实现在

蜂窝网络中的低功率器件的数据互联。为此，本文选

取了一种基于该技术的智能化门禁系统，对其进行了

数据的收集与处理，并对其进行了深入的研究。

（1）简要阐述了窄带网络技术，并对其优点和不足

进行了比较，并针对智能门禁的需求，给出了相应的解

决办法。

（2）详细实施系统的设计，其中包含系统硬件设

计、数据传输设计；最后实现了各模块之间的数据收

集。在STM32软件的基础上，对智能门禁系统进行了

分类，包括接收与解析、数据格式、GPRS远程数据

传送。

（3）通过试验和数据的分析，根据上述的设计需

求，对智能门的数据进行了数据的收集和接收。

4.2 智能门锁下行数据传输测试

网络中的终端节点在入网之后每3 s醒来一次询

问其父节点是否有数据需要接收，如果没有数据需要

接收就再次进入休眠状态，如果有数据就进入接收状

态，待数据接收完毕后进入休眠状态，这样周而复始的

工作。同时还以30 s的间隔循环醒来向协调器上报自

己的网络状态。节点功耗主要包括发送、接收、休眠时

消耗的功耗。根据试验结果，普通使用时，智能门锁的

功耗为160~180 μA，满足了该模块的功耗标准。

4.3 智能门锁上行数据接收测试

在计算机管理系统中预先登记了智能门锁ID号

码，也就是增加了一个使用者，使该智能门锁成为一个

法定的网络结点，可以被纳入协调程序所创建的网络

中。在智能门锁上加上一张合法的房卡，让其可以顺

利地开启。当刷卡时，计算机的管理系统会给出卡号、

合法、非法等相关信息。在遇到违法刷卡的情况下，该

系统还会自动发出警告。

4.4 数据接收测试

本文选择100个结点进行多结点的网路试验。

NB-IoT网的理论结点数量已达60 000多个，然而到现

在，在实验室环境下，真正能够稳定工作的网络中，其

结点能力不足2 000个。这样就能处理大多数的无线

传感器网络。该系统采用NB-IoT无线模块和通信面

板，实现了对智能门禁的仿真，可利用网路监视软体对

网路中各结点的状况进行监测。

在对系统进行一星期的网络试验后，各终端结点

以10 min为间隔，将一个数据分组作为一个仿真的窗

口打开。一般人很难用这种方式刷信用卡。从表格中

可以看到，每个结点的丢失率不超过2%，由于每个结

参考文献

[1]梁友槟,钟键,吴添贤,等.基于NB-IoT通信的智能门

锁[J].电子产品世界,2021,28(9):89-92.

[2]刘梦君,沙涛,李丹,等.窄带物联网下的安全门锁密

钥可靠更新方案[J].计算机科学,2019,46(4):137-143.

[3]俞牡丹,吴振谦,蒋志迪.蓝牙Mesh自组网芯片

CSR1024的智能门锁设计[J].单片机与嵌入式系统

应用,2018,18(3):56-58,74.

[4]洪晓兰,杨飒,叶泳仪,等.基于HT66F2390的新型智能

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锁系统设计与实现[J].电子测量技术,2019,42(3):

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[6]殷明,李富华,侯汇宇.基于2.4G及ZigBee的物联网

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[7]王平,王焱.基于物联网平台的智能家居中心控制

系统设计[J].计算机测量与控制,2020,28(11):79-83.