基于改进型LoRa楼宇智能门锁设计与实现

□□ 张 钰 (山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

目前，楼宇智能门锁系统的无线网络通信普遍采用WIFI、蓝牙协议栈BLE、ZigBee和NB-IoT等通信技术，各种类型的智能门锁特点见表1。由表1可知，现有技术不能满足稳定性、长距离传输和低功耗等工程应用需求，同时存在用户体验差、管理不便和安全性较低等问题。因此，拟设计一种基于改进型LoRa的智能锁系统，充分利用LoRa通信协议功耗低、通信距离长和频段免费等特点，使得智能门锁具有安全性高、成本低和便于管理等特点。

表1 无线通信协议的智能门锁

1 改进型LoRa智能门锁系统框架

智能门锁系统的设计是根据开放式系统互连OSI(Open System Interconnect)参考模型为依托，设计自南到北的模块化功能，智能门锁系统由物理层、网络层和云端服务层等三部分组成，智能门锁系统结构如图1所示。

图1 LoRa门锁系统总体框架

其中，物理层主要是LoRa通信模块，LoRa通信模块为小区每个用户的门锁；网络层为LoRa网关设备，其是各用户门锁LoRa通信数据的汇聚中心，实现与物理层和LoRa服务器之间的数据通讯；云端服务层由云端服务控制和应用服务控制组成，用于实现业务处理和设备管理，云端服务控制是远程控制LoRa智能门锁服务的各种功能的后台远程维护，应用服务控制是在手机终端，实现用户与智能门锁系统之间的交互功能。

2 改进型LoRa智能门锁系统设计

2.1 物理层

智能门锁系统的物理层设计如下：

(1)硬件设计。关键在于LoRa通信模块中各个核心部件的选用。首先是控制器芯片型号的选择，核心芯片确定后，基于实现的功能选择外围电路模块。

(2)软件设计。基于硬件资源开发的软件功能和手机Android APP软件。根据功能需求，智能门锁系统的核心芯片采用低功耗STM32系列芯片，系统的无线网络构建采用改进性LoRa通讯协议。

2.1.1核心芯片

智能门锁核心芯片的选用是基于LoRa的STM32系列芯片，其主控芯片型号为STM32L151C8T6D。智能门锁由LoRa主控芯片模块、1.8寸串口TFT触摸屏模块、PAM8610数字微型功放板、直流电机正反转模块(驱动电压12 V)和DC电池模块(具有升压功能)组成，如图2所示。

图2 基于LoRa的门锁硬件组成图

通信模块是整个门锁系统能耗的关键，故使用支持LoRa通信协议芯片，其型号为STM32L151C8T6D，该芯片的微控器功耗低、可扩展性好、稳定性高且性价比高。智能门锁的RF射频模块采用利尔达芯片模块，型号为LSD4RF-2F717N30。

2.1.2软件开发

物理层硬件芯片代码由STM32 CubeMX软件生成，是基于芯片型号的硬件模块化初始代码包，再利用uVision5进行模块化应用开发，如图3所示。

图3 硬件芯片代码模块化编程

模块化的硬件编程大大缩短了开发时间。由STM32 CubeMX软件生成的模块化代码包中包括LoRa智能门锁功能性设计中所需要功能的基础代码、触摸屏显示与交互和低功耗模式选择等。硬件功能开发设计思路是LoRa智能门锁系统初始化完成后，与网关进行网络注册；注册成功后，智能门锁与网关之间保持畅通的无线网络通信；智能门锁打开外部中断控制服务，转入低功耗休眠模式，此时智能门锁系统的所有功能将由外部中断控制激活；激活后智能门锁系统进入中断服务主程序，根据外部中断功能调用对应中断服务函数实现中断控制，其主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

在完成系统初始化、MAC初始化、设备入网、设备注册、开启中断服务并转入低功耗休眠模式后，等待外部中断信号唤醒系统，外部中断信号分为触摸屏唤醒信号和远程APP控制中断信号。智能门锁系统在未接收到外部中断信号时，系统一直处于低功耗的休眠模式，并关闭触摸屏和语音播报等功能。当智能门锁系统接收到外部中断信号时，会立即唤醒系统，由低功耗模式转入正常工作模式，启动触摸屏功能、语音播报功能以及远程控制功能，实现全功能操作控制模式，并且通过判断外部中断信号来源，根据不同的信号来源执行不同的中断服务函数，在中断服务程序执行完毕，系统重新进入低功耗休眠模式。为此智能门锁系统设计了远程控制和触摸屏控制子程序模块，具体如下：

(1)远程控制模块。远程控制功能通过移动通信网络和Internet网络连接LoRa网关，由LoRa网关控制智能门锁节点实现远程控制，系统初始化配置智能门锁节点设备上的LoRa通讯接收机每隔0.2 s进行信道活动检测(CAD)，检测信道中LoRa网关发送的远程呼叫信号。若有远程呼叫信号，LoRa通讯接收机接收并检查信号来源，产生远程控制中断信号，远程控制中断信号唤醒休眠中的智能门锁系统进入正常工作模式，并产生外部控制外围设备，激活外围设备，实现远程控制智能门锁功能，完成远程控制操作。其中远程控制信号指令分为4种状态，分别为“0”、“1”、“2”和六位字母和数字密码，分别对应开锁、关锁、紧急关锁和新密码。开锁功能执行后，恢复系统初始化状态，恢复触摸屏功能，系统的执行结果发送给LoRa网关后进入低功耗休眠模式。

(2)触摸屏控制模块。触摸屏功能主要是密码开锁和呼叫远程控制开锁。在密码开锁控制中，用户连续敲击两次，唤醒触摸屏，显示和语音播报“欢迎主人回家！”，并在触摸屏的下一行显示“请输入密码”按钮，同时唤醒智能门锁系统，触摸按键开启系统控制时间中断函数，设置10 s定时器功能，在10 s内输入密码，按下确认键后密码输入结束，系统定时器功能结束，关闭定时器和触摸屏功能。若输入密码正确时执行开锁，生成开锁日志信息，发送给LoRa网关，系统进入低功耗休眠模式；若输入密码错误时则显示和语音播报：“密码输入错误，请重试！”，同时时间定时器复位，重新定时10 s，用户可重新输入；若输入错误密码次数≥6时，触摸屏则启动锁死功能，锁死功能一旦触发，将启动锁死事件定时器，该锁死功能定时为12 h，用户在12 h时之内无法使用触摸屏，触摸屏上显示和语音播报：“密码输入错误，请明天重试！”，该时间段内用户只能使用手机APP开锁。

2.2 网络层

网关开发选用SX1262LORA无线470M网关扩频开发模块。LoRa网关的功能是支持固定IP和动态域名解析方式连接数据中心，并且支持透明传输协议、通用模式(主动轮抄，定时上报)和MQTT协议等，实现LoRa协议智能门锁节点通过LoRa网关，实现与LoRa云端服务器的链接。LoRa网关网络通信结构结构如图5所示。

图5 LoRa网关网络通信结构

LoRa网关将门锁节点上传的数据通过UDP协议转换成Json格式的加密数据。通过以太网IPv4传输给LoRa服务器，由LoRa服务器备份数据，再将加密的Json数据使用MQTT协议发送给云端服务器，供服务层和应用层实时解析数据并控制。选用改进型的LoRa技术同步叠加信号的解调方式进行LoRa通信，保证系统的稳定性，与通用型LoRa的性能比较见表2。

2.3 云端服务层

云端服务层由LoRa服务控制和功能性维护控制组成。其中LoRa服务控制负责管理和对接LoRa底层网络，业务服务器实现整个系统管理和控制功能；LoRa服务控制是管理功能，基于B/S架构实现；前后端都部署在云端服务器；LoRa服务控制网页界面使用Visual Studio进行Windows界面设计开发，功能有权限设置、注册用户信息修改和用户信息修改；LoRa服务控制的数据使用MySQL数据库存储信息，并用MyBatis管理数据库。功能性维护控制的数据链表由驱动软件、用户控制日志、开关锁日志、用户信息和用户密码信息(WPA2-PSK)等数据组成，用来存储设备、键盘锁定状态和设备所属用户的信息。LoRa服务器使用开源的物联网服务器，具有云端服务控制和应用服务控制两部分功能。

手机APP应用开发使用Android Studio软件基于Android 5.0系统开发APP应用，如图6所示。手机APP和服务器之间采用C/S架构，采用http协议进行通信；APP登录成功之后，用户与远程服务器，通过HTTP协议向服务器进行交互，接收当前门锁信息；在APP上显示当前门锁的状态，用户通过APP发送控制指令，控制智能门锁。

图6 Android Studio开发界面

3 改进型LoRa智能门锁系统的应用测试

在某学校6层宿舍楼对基于改进型LoRa智能门锁系统进行功能性测试和通讯稳定性测试。其中功能性测试如图7所示。

图7 APP智能门锁控制记录

通讯稳定性测试是在带宽和传输速率一致的条件下，LoRa扩频因子使用SF12，一对多收发数据，进行10次测试，其丢包率见表3。

表3 LoRa智能门锁系统丢包率

4 结语

利用LoRa通信技术的优势和特点，将LoRa通信技术应用于智能门锁。基于改进型LoRa智能锁系统设计了LoRa智能门锁系统，通过测试该设计系统可行，且该系统具有稳定性高、公共免费传输频段、耗能低和安全性高等特点。