胡乃平，賈浩杰，袁紹正

(青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266061)

0 引言

智能鎖經(jīng)歷了電子鎖、單機(jī)智能鎖、無線智能鎖3個(gè)階段[1]。第一階段從20世紀(jì)末開始，這一階段的鎖不是真正意義上的智能鎖，只是取消了傳統(tǒng)意義上的機(jī)械式開鎖，改為NFC刷卡開鎖；第二階段從2010年開始，鎖具上配備了顯示屏，可用密碼、指紋和人臉開鎖；第三階段從2015年開始，將無線通信協(xié)議應(yīng)用于智能鎖上，實(shí)現(xiàn)了無線開鎖[2]。

目前，智能門鎖的無線通訊方案，大多數(shù)采用藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等[2]。盛平等將WiFi應(yīng)用于智能鎖系統(tǒng)中[3]，便于管理，并且可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，但是WiFi功耗較大，導(dǎo)致充電的頻率較高。應(yīng)時(shí)彥等設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的聯(lián)網(wǎng)型無線門鎖系統(tǒng)[4]，ZigBee功耗較低，但是ZigBee傳輸距離較近。金志剛等研究了藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)智能鎖中的安全機(jī)制[5]，藍(lán)牙安全性較高且功耗低，但是藍(lán)牙通信也存在傳輸距離較近的問題。沙濤等人將NB-IoT應(yīng)用于公租房背景下的智能鎖[6],NB-IoT功耗極低，傳輸距離遠(yuǎn)，但是NB-IoT由運(yùn)行商運(yùn)營，使用NB-IoT成本較高。張錚等人將LoRa通信協(xié)議應(yīng)用到大面積漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測[7]，通信距離長、功耗低并且成本低。

現(xiàn)有智能鎖傳輸方案大多使用IPv4接入網(wǎng)絡(luò)，IPv6與IPv4相比，安全性更高[8]且IP地址不會(huì)出現(xiàn)匱乏的局面[9]。本文將LoRa與IPv6結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa和IPv6的智能鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功耗低、通信距離長、便于管理、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自頂向下的模塊化思想，將系統(tǒng)分為4個(gè)部分：執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，圖1所示為系統(tǒng)總體架構(gòu)。執(zhí)行層是智能鎖的硬件部分，實(shí)現(xiàn)鎖的各種功能；網(wǎng)絡(luò)層是LoRa的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行層和服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)通訊；服務(wù)層運(yùn)行在云服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理和設(shè)備管理；應(yīng)用層運(yùn)行在PC和手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶交互功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行層

執(zhí)行層的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分，硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是低功耗設(shè)計(jì)，核心是控制器的通訊協(xié)議的選擇。本系統(tǒng)選用低功耗的STM32系列微控器和LoRa通訊協(xié)議。

2.2.1 硬件部分

執(zhí)行層硬件是基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的門鎖節(jié)點(diǎn)，由控制器、LoRa通訊模塊、鍵盤模塊、蜂鳴器模塊和直流電機(jī)模塊組成，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

由于門鎖必須采用電池供電，因此低功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，通訊是整個(gè)系統(tǒng)降低功耗的關(guān)鍵。目前低功耗通信協(xié)議主要有藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、NB-IoT和LoRa等[10]，對(duì)比情況如表1所示，LoRa與其他通信協(xié)議相比功耗低、傳播距離遠(yuǎn)、安全性高并且免費(fèi)[11]，因此本系統(tǒng)選用LoRa通信協(xié)議。

表1 LoRa和與其他通信協(xié)議對(duì)比

執(zhí)行層控制器的選擇既要考慮低功耗還要考慮對(duì)LoRa協(xié)議的支持，選用了STM32L151CBU6微控器，該系列微控器功耗低、性價(jià)比高、可靠性高。LoRa射頻部分采用基于Semtech SX127x芯片的模塊。

2.2.2 軟件部分

執(zhí)行層軟件由uVision5進(jìn)行開發(fā)，使用C語言編程。軟件設(shè)計(jì)必須考慮低功耗設(shè)計(jì)，讓控制器大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。軟件的設(shè)計(jì)思路是主程序完成系統(tǒng)初始化和設(shè)備注冊(cè)等功能后，打開中斷后轉(zhuǎn)入低功耗休眠狀態(tài)，系統(tǒng)所有功能通過中斷在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。

主程序流程如圖3所示，主要完成系統(tǒng)初始化、MAC初始化、設(shè)備入網(wǎng)和設(shè)備注冊(cè)后進(jìn)入到無限循環(huán)，在無限循環(huán)中將系統(tǒng)設(shè)置為低功耗休眠狀態(tài)。這樣系統(tǒng)如果沒有中斷產(chǎn)生，就一直處于休眠低功耗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能，當(dāng)有中斷事件發(fā)生后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

系統(tǒng)的子程序模塊，主要包括兩部分：指令執(zhí)行模塊和鍵盤密碼開鎖模塊。

1)執(zhí)行指令模塊：該模塊功能通過設(shè)置每隔0.5秒產(chǎn)生定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)。每隔0.5秒在定時(shí)器中斷中啟動(dòng)門鎖節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的LoRa接收機(jī)進(jìn)行信道活動(dòng)檢測(CAD)，檢測空中是否有呼叫信號(hào)，LoRa接收機(jī)檢測完成后產(chǎn)生CADdetected中斷信號(hào)。該中斷信號(hào)接入微控器，產(chǎn)生外部中斷，在中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行指令的功能。在CADdetected中斷中，首先要清除定時(shí)器中斷，然后將執(zhí)行層設(shè)置為接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收應(yīng)用層下發(fā)的指令，指令分為4種：”0”，”1”，”2”,或者是六位數(shù)字，分別對(duì)應(yīng)開鎖、關(guān)鎖、緊急關(guān)鎖(蜂鳴器響)和新密碼。開鎖功能執(zhí)行后，如果與按鍵相連的CPU引腳為輸出模式，則置為輸入模式，恢復(fù)鍵盤功能，系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給服務(wù)層后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

2)鍵盤密碼開鎖模塊：鍵盤的“*”鍵接入微控器的外部中斷，按下”*”鍵會(huì)觸發(fā)外部中斷，開啟10 s定時(shí)器，在10 s的時(shí)間內(nèi)， “#”鍵被按下則密碼輸入結(jié)束，若輸入密碼正確，執(zhí)行開鎖并發(fā)送鎖狀態(tài)給服務(wù)層，關(guān)閉定時(shí)器，程序返回。若輸入密碼錯(cuò)誤，則蜂鳴器提示，定時(shí)器復(fù)位，用戶可重新輸入，如果錯(cuò)誤次數(shù)大于5次，則鍵盤鎖死(與按鍵相連的引腳改為輸出模式)，用戶不能再使用密碼開鎖，只能使用APP開鎖。在10 s的時(shí)間內(nèi)，“#”鍵未被按下，程序返回。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)關(guān)開發(fā)選用HT-M01，基于Semtech SX1301芯片。網(wǎng)關(guān)的功能是協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)LoRa協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，用來連接門鎖節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示，網(wǎng)關(guān)將門鎖節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)通過packet_forwarder服務(wù)，使用UDP發(fā)送到網(wǎng)關(guān)本地的1 700端口上。LoRa-gateway-bridge服務(wù)使用UDP從網(wǎng)關(guān)本地的1 700端口接收packet_forwarder服務(wù)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并解析成有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包成json格式，打包完成之后，LoRa-gateway-bridge服務(wù)將打包數(shù)據(jù)使用MQTT協(xié)議[12]從網(wǎng)關(guān)通過IPv6地址發(fā)布到云服務(wù)器中的Mosquitto消息代理服務(wù)器，供服務(wù)層訂閱。

圖3 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.3 服務(wù)層

服務(wù)層一共包含兩部分：LoRa服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器。LoRa服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和對(duì)接LoRa底層網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)管理和控制功能。

2.3.1 業(yè)務(wù)服務(wù)器

用戶開鎖使用APP簡便快捷，而使用PC對(duì)人員信息進(jìn)行處理更加直觀，因此業(yè)務(wù)服務(wù)器使用混合架構(gòu)，包含兩部分：一部分是管理端，基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)；前后端都部署在服務(wù)器。另一部分是用戶端，基于C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過手機(jī)APP操作。

管理端使用IDEA進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，功能有權(quán)限設(shè)置、注冊(cè)人員信息修改、宿舍人員信息修改。管理端的后端使用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息，并用MyBatis管理數(shù)據(jù)庫。UI界面使用Element UI進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用Layout進(jìn)行布局，采用Icon、Buton、Form、Avatar、NavMenu、Dropdown、Dialog等組件用于展示數(shù)據(jù)并與用戶交互。

業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫由device、device_user、record、user_info、user_password等數(shù)據(jù)表組成，device、device_user用來存儲(chǔ)設(shè)備、鍵盤鎖定狀態(tài)和設(shè)備所屬用戶的信息，record用來存儲(chǔ)設(shè)備開關(guān)鎖記錄的信息，user_info、user_password用來存儲(chǔ)注冊(cè)用戶的信息和密碼。

服務(wù)器運(yùn)行時(shí)監(jiān)聽是否有應(yīng)用層傳來的http請(qǐng)求，如果有的話，攔截器進(jìn)行攔截查看請(qǐng)求頭內(nèi)攜帶的token是否過期，沒有過期則進(jìn)行路由匹配，匹配成功之后處理業(yè)務(wù)，處理完成之后將response(處理結(jié)果)返回給前端。業(yè)務(wù)服務(wù)器除了進(jìn)行邏輯處理之外，還開啟了MQTT協(xié)議，使用mqttv3架包，編寫MQTT客戶端與云服務(wù)器中的MQTT消息代理服務(wù)器Mosquitto連接，方便訂閱和發(fā)布消息。

2.3.2 LoRa服務(wù)器

LoRa服務(wù)器使用的是開源的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器兩部分[13]。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)將訂閱的信息匯總并存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用服務(wù)器通過GRPC從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中讀取數(shù)據(jù)[16]，并對(duì)外提供http、MQTT之類的數(shù)據(jù)接口。MQTT是基于訂閱/分布模式[14]的一種輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議[15]。部署LoRa服務(wù)器之前需要在云服務(wù)器上安裝Mosquitto(MQTT消息代理服務(wù)器)、PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(存放長期數(shù)據(jù))和redis數(shù)據(jù)庫(存儲(chǔ)短期數(shù)據(jù)或者臨時(shí)數(shù)據(jù))。安裝完成之后在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的toml配置文件下修改數(shù)據(jù)庫地址和Mosquitto用戶名、密碼，即可完成LoRa服務(wù)器的安裝和配置[17]。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)與用戶交互及數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，通過圖片、文字等向用戶展示目前的狀態(tài)。應(yīng)用層包括管理端和用戶端兩部分。管理端采用B/S架構(gòu),所有軟件在服務(wù)端設(shè)計(jì)，用戶只需瀏覽器即可使用。用戶端基于服務(wù)層實(shí)現(xiàn)了安卓APP。APP的主要功能有開關(guān)鎖、緊急關(guān)鎖、查詢記錄、修改密碼。為了刷新門鎖狀態(tài)，APP會(huì)每隔1s向服務(wù)層發(fā)送指令，來獲取并更新當(dāng)前鎖的狀態(tài)。

APP和服務(wù)器之間采用C/S架構(gòu)，采用http協(xié)議進(jìn)行通信。APP使用AndroidStudio進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，界面層和業(yè)務(wù)邏輯層分開設(shè)計(jì)，屬于不同的線程，主線程負(fù)責(zé)頁面的描繪和切換，子線程負(fù)責(zé)HTTP通信和業(yè)務(wù)處理。APP登錄成功之后子線程連接服務(wù)器，通過HTTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送指令，接收服務(wù)器傳來的門鎖數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給主線程，主線程根據(jù)此數(shù)據(jù)顯示當(dāng)前門鎖的狀態(tài)。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)使用XML進(jìn)行UI設(shè)計(jì)。主頁面采用LinearLayout結(jié)合RelativeLayout進(jìn)行布局，并采用Button、TextView、ImageView、ListView等控件展示數(shù)據(jù)并與用戶進(jìn)行交互。除ListView外，其他控件的數(shù)據(jù)均通過靜態(tài)加載方式加載，數(shù)據(jù)存放在資源文件里。ListView用于顯示一周內(nèi)的開關(guān)鎖記錄，數(shù)據(jù)較多，采用動(dòng)態(tài)加載方式加載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中。

3 系統(tǒng)測試

本節(jié)在真實(shí)環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測試、丟包率測試和低功耗測試。

3.1 功能測試

在節(jié)點(diǎn)上電時(shí)，上發(fā)的數(shù)據(jù)是設(shè)備id等信息，下發(fā)數(shù)據(jù)為指令信息。在云服務(wù)器上，在命令行中輸入命令sudomosquitto -t "application/123/device/+/tx" -v -u loraroot -P 62374838，來查看Mosquitto數(shù)據(jù)的日志信息[18]，tx指的是下行數(shù)據(jù)，可換為rx來查看上行數(shù)據(jù)。并將”data”對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Base64解密，查看數(shù)據(jù)是否正確。日志信息如圖4所示。將解析的指令與開關(guān)鎖狀態(tài)進(jìn)行對(duì)照，查看指令與動(dòng)作是否一致。并且當(dāng)解析出指令為”2”時(shí)，能聽見蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

圖4 日志信息

用戶每一次開關(guān)鎖都會(huì)記錄在服務(wù)層數(shù)據(jù)庫。對(duì)門鎖進(jìn)行多次開關(guān)鎖操作，通過APP查看一周內(nèi)的開關(guān)鎖記錄，如圖5所示。

圖5 開關(guān)鎖記錄

3.2 丟包率測試

每一種通信協(xié)議都會(huì)產(chǎn)生丟包的風(fēng)險(xiǎn)，特別是長距離通信，環(huán)境、障礙物等都會(huì)影響通信的效果。本文設(shè)計(jì)的智能

鎖系統(tǒng)，安裝在室內(nèi)，因此實(shí)例測試的環(huán)境選取宿舍樓(11層)，網(wǎng)關(guān)安裝在1層，分別對(duì)奇數(shù)樓層進(jìn)行了測試。在帶寬和傳輸速率一致的條件下，LoRa擴(kuò)頻因子使用SF12，一對(duì)多下發(fā)數(shù)據(jù)共測試10次，信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)和丟包率計(jì)算公式如(1)和(2)所示：

RSSI= -164+16/15 *PacketRssi[19]

(1)

丟包率=1-接收字節(jié)數(shù)/發(fā)送字節(jié)數(shù)

(2)

其中:16/15為校正系數(shù)，PacketRssi指單個(gè)包的信號(hào)強(qiáng)度，是收包這段時(shí)間內(nèi)的RSSI的平均值[20]，PacketRssi的值可由串口打印獲得[21]。根據(jù)分析測試結(jié)果(表2)可知，為了平衡信號(hào)強(qiáng)度和丟包率，可在一棟11層高的宿舍樓的中間部分安裝網(wǎng)關(guān)來控制整棟樓的門鎖節(jié)點(diǎn)。

表2 丟包率測試結(jié)果

3.3 低功耗測試

處于執(zhí)行端的智能鎖節(jié)點(diǎn)，由于采用電池供電，因此能耗是關(guān)鍵的要素，按照一天正常開關(guān)鎖10次，緊急關(guān)鎖1次，密碼開鎖1次，0.5 s空中喚醒一次LoRa通訊，其余時(shí)間待機(jī)，測試結(jié)果如表3所示。

表3 電池?fù)p耗測試結(jié)果(24小時(shí))

4 結(jié)束語

本文針對(duì)目前大多數(shù)智能鎖存在的問題進(jìn)行了分析，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合LoRa通信技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到智能門鎖上，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa和IPv6的智能鎖系統(tǒng)，將系統(tǒng)劃分為執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層、應(yīng)用層4個(gè)部分，對(duì)每一部分使用的關(guān)鍵技術(shù)和功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述。本系統(tǒng)操作簡便、成本低還具備功耗低、通訊距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使用IPv6，安全性更高而且避免出現(xiàn)IPv4地址匱乏的局面。一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以覆蓋一棟樓的監(jiān)測區(qū)域，近200個(gè)門鎖節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，1 000 mAh電池可使用1.8年之久，滿足低功耗、低延遲和安全性高的需求。今后的研究工作會(huì)將LoRa結(jié)合IPv6的模式應(yīng)用到智慧城市、智慧校園等領(lǐng)域。