第42卷第4期2021年4月
白动化仪表
P R O C E S S A U T O M A T I O N I N S T R U M E N T A T I O N
Vol.42 N o.4
Apr.2021
基于N B-I O T和扫码识别的智能光交箱锁设计 徐灵飞\陈斌2
(1.成都理T.大学工程技术学院电子信息与计算机工程系，四川乐山614000;
2.四川金互通科技股份有限公司，四川乐山614000)
摘要：为了解决光交箱钥匙和光交箱状态管理问题，创新性地结合窄带物联网（N B-I0T)和二维（(?R)码技术，设计了智能光交箱锁终端。使用二维码代替传统钥匙，通过N B-I0T网络服务器实现钥匙的分配、回收和使用等管理功能。相较于传统光交锁钥匙，数字 化钥匙的使用提高了管理效率和光交箱 的安全性。智能光交箱锁终端具备周期性检测光交箱内温湿度、振动、倾斜以及水浸、电源电 池电压等工作状态的功能。其可在箱内出现异常状态时报警，并实时将报警信息上传服务器。智能光交箱锁终端的软硬件都在低功耗原则基础上进行设计，保证了终端的长时间的续航性能，使得终端适用于无源工作环境。试验结果表明，该系统工作稳定、功耗低，可以高效地管理光交箱钥匙，实时监控光交箱工作状态，保障其运转的安全性，实现了智能化管理。该设计为相关产品提供了设计依据，具有较高的借鉴价值。 关键词：光交箱；电子锁；数字钥匙；N B-I0T；二维码；扫码识别；低功耗；智能检测
中图分类号：T H89文献标志码：A D0I：10. 16086/j. cnki. issn 1000-0380. 2020080046
Design of Intelligent Optical Cable Exchange Box Lock
Based on NB-IOT and Scanning Code Recognition
XU Lingfei1，CHEN Bin2
(1. Engineering & Technical College,Chengdu University of Technical,Leshan 614(XX),China；
2. Sichuan JinHuTong Technology Co.,Ltd.,Leshan 614000,China)
Abstract：T o solve the problems of optical box key and optical box state m a n a g e m e n t,an intelligent optical box lock terminal w a s designed by innovatively combining narrowband Internet of Things (N B-I O T)and two-dimensional code technology. T h e quick r e s p o n s e(Q R)code is used instead of traditional keys, a nd m a n a g e m e n t functions such as key allocation,recovery a nd use are realized through N B-I O T network server. C o m p a r e d with the traditional optical locking key, the use of digital key improves the m a n a g e m e n t efficiency a nd the security of the optical delivery box. T h e intelligent optical box lock terminal has the function of periodically detecting the temperature a nd humidity,vibration,tilt,water flooding,power supply battery voltage and other working conditions in the optical box. A l a r m w h e n there i s an abnormal state in the box a nd upload the alarm information to the server in real time. T h e hardware a nd software of the intelligent optical box lock terminal are designed based on the principle of low p o w e r consumption,which ensures the long endurance performance of the terminal a nd m a k e s the terminal suitable for passive working environment. T h e experimental results s h o w that the system works stably an d has low p o w e r c o n s u m p t i o n,which can effectively m a n a g e the key of optical delivery box,monitor the working state of optical delivery box in real time,and guarantee the safety of i t s operation,thus realizing intelligent management. This design provides the design basis for the related products a n d has a high reference value.
外墙金属复合板
Key w ords ：Optical delivery b o x；Electronic lock；Digital k e y；N B-I O T； Q u i c k r e s p o n s e(Q R)c o d e； Scanning code recognition；L o w power consumption ；Intelligent detection
〇引言
随着光纤入户和网络用户的增长，光交箱数量不 断增加，巡检人员数M和难度也相应增加，容易出现钥匙丢失、匹配不对、光交箱安全等问题。光交箱大部分 安装在户外，对工作温度、防水、防潮、抗冲击损坏能等 有一定要求，面对剧变的气候和恶劣的工作环境，需要 定期巡检箱体的T.作状态，保障光交箱的安全工作环
收稿日期：2020-08-21
基金项目：四川省科技服务业示范基金资助项目（2019GFVT200>、成都理丁.大学工程技术学院基金资助项目（C122018004)作者简介：徐灵飞（丨981 —），男，硕士，副教授，主要从事嵌入式系统设计方向的研究，E-mail:34500760@qq. com
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自 动化仪表
第42卷
智能光交箱锁终端
图1监控系统结构图
Fig . 1 Monitoring system structure diagram
结合NB -10T 和二维码技术实现的数字钥匙管理 系统状态如图2所示。在需要对光交箱进行巡检时, 管理系统生成数字二维码钥匙，并下发到巡检员的手 机上。巡检员到达现场后，点击光交锁上的按键，启动 一次NB -IO T 通信，向服务器请求光交锁数字钥匙。 光交锁终端获取数字钥匙后，通过L E D 灯提示开始二 维码扫描功能，通过扫码行匹配以决定是否打开电子
境：本文结合窄带物联网（narrow band internet of
things ,NB -IOT )技术功耗低、覆盖广的特点12和二维
码技术数字化钥匙技术，设计了集电子锁、扫码功能和 监控功能于一体的智能锁。使用二维码代替传统钥 匙，按需分配、即用即消，结合NB -10T 网络实现钥匙 高效管理，并能够将光交箱T 作环境状态的监测数据 和异常状况上传服务器以供分析:3]。作为无源设备， 智能光交箱锁使用电池供电，通过NB -10T 网络进行 信息传递和管理。相较于其他网络互连方式，该设计 增加了系统的待机时间1451和覆盖范围。1
设计方案
智能光交箱锁设计基于NB-IOT 网络，结合二维 码实现光交箱钥匙管理和光交箱工作状态的监控.在 系统服务管理平台的控制区域内，平台统一分配每个 光交箱锁的I D 号，统一管理光交箱锁数字二维码
钥匙 的生成和取消，并接收智能光交箱锁上传的监控信息 (包括箱内温度、湿度+7]、水浸、振动、倾斜和电池工 作状态）。监控系统结构如图1所示。
锁。在扫码匹配不一致时，可以反复操作四次如四 次结果都不匹配，则冻结电子锁，待服务器解锁后才能 进行下一次的扫码开锁操作。在成功使用一个二维码 之后，光交锁通过NB -IO T 网络将锁的开关状态上传 到服务器，并回收使用过的二维码。在光交箱的数字 化管理下，避免了钥匙复制、丢失、错位带来的安全问 题，实现了智能化巡检，保证了资产的安全性。
图2数字钥匙管理系统状态图
Fig . 2 Digital key management system status diagram
智能光交箱锁在正常T .作期间，检测箱内状态，并 定时将状态值上传到服务器，用于光交箱日常工作状 态的后期分析。在出现突发情况（如水浸、振动和大 角度倾斜等事件）时，蜂鸣器报警提示，并实时上传状
态数据，缩短上传间隔时间，增加报警数据检测量，细 化记录异常状态变化过程。在服务器发现异常后，及 时将相关信息通知给管理员，以分派巡检员及时进行 巡检维护。
2智能光交锁终端硬件设计
如图1所示，智能锁终端硬件系统主要包括6个
部分：主控器模块、电子锁模块、扫码模块、通信模块、 传感器模块以及电源管理模块。智能锁终端安装在光 交箱内，可以实现扫码、电子锁开关控制、采集光交箱 工作状态、与服务器通信以及电源管理等功能。由于 光交箱通常为无源工作环境，因此需要整个硬件系统 能够以低功耗形式进行工作。在硬件设计中，通过选 择低功耗主控器、低功耗NB -IO T 控制器，设计扫码模 块、电子锁电源控制开关，以及设计电源管理电路等方 法，实现整个硬件系统的低功耗运转。在没有外界触
NB -丨OT 管理平台
电池
第4期基于
N B
-丨0T 和扫码识别的智能光交箱锁设计徐灵飞，等• 17 •
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图3 B C 28模块硬件电路图
Hardware circuit diagram of B C 28 module
弹开H O I ，通过干簧管检测电子锁的开关状态（L〇CK
本文设计使用电磁形式控制电子锁把手的闭合和
D E C )。电子锁控制电路如图4所示。
发信号（电子锁触发开关、N B -I O T 通信信号或异常信 号触发）的情况下，整个系统全速运行，所有模块的电 源控制开关闭合；反之，终端T .作在低功耗模式，必须 切断非必模块电源控制开关，以降低终端工作功耗。
2.1主控器
为实现硬件低功耗控制，首先选用超低功耗
S T M 32L 152R C T 6 作为主控器。S T M 32L 152R C T 6 内置
高性能A R M Cortex -M 3 32位R I S C 内核、多种增强型 输人/输出（input/output ,1/0)接口、外设和超低功耗 比较器，可以实现功能强大的外围电路设计，降低硬件 设计复杂度。同时，S T M 32L 152R C T 6具有低功耗运 行、睡眠、低功耗睡眠、停止、待机等低功耗模式，可使 系统在非全速工作期间运行于低功耗模式。在光交锁 终端空闲状态时,S T M 32L 152R C T 6进人停止低功耗模 式，此时，可使用S T M 32L 152R C T 6的外部输入中断 0-3(external interrupt line 0-3, E X T I _LineO -3)和实时 时钟（real time clock ，R T C )的报警中断（E X T I —Line 20) 作为唤醒信号。S T M 32L 152R C T 6的外部输人中断信 号由电子锁触发按键、水浸报警信号、振动信号等异常 信号产生。在S T M 32L 152R C T 6进人低功耗模式前，配 置R T C 的30 m i n 的报警中断，以实现光交锁终端的 定时状态检测。当检测到异常状况时，缩短R T C 的报2.2通信模块
N B -I 0T 模块具有三种I ：作模式：Active 、I D L E 和
省电模式（power saving m o d e , P S M )。N B -I O T 模块会 根据激活模式（Active )—空闲模式（I D L E ，持续时间为
T 3324设定时间）—P S M (持续时间为T 3312设定时
间，期间可以外部激活）的顺序在三种模式之间切换。 根据实际需求，通过A T + C P S M S 指令，可设定T 3324 和T 3312两个定时器的定时长度。N B -I O T 模块选用
B C 28，工作电压范围为3. 1 ~4. 2 V 。在P S M 状态， B C 28最大消耗电流为5 j j l A 。S T M 32L 152R C T 6的通用
同步/异步串行接收/发送器1 ( universal synchronous /
asynchronous receiver/transmitter 丨，U S A R T 1 )与 B C 28
模块主串口（ 17、18引脚）链接，向B C 28模块发送A T 指令，实现B C 28模块的初始化和数据的收发。B C 28 模块在数传工作中，确保电源跌落不低于模块最低工 作电压3. I V 。在3.3 V 的工作电压下，为了提高电源 的供电性能，可在靠近模块电源输人端并联一个低等 效串联电阻（0. 7 I I )的100 j j l F 的钽电容，以及 100 n F 、100 P F 和22 p F 的滤波电容。原则上，当
V B A T 引脚走线越长，线宽应越宽。B C 28模块大部分
时间处于的P S M 状态，比较适合无源光交箱电池供电 的工作应用场景。
B C 28模块硬件电路如图3所示。太阳影子定位技术
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Fig. 3
2.3电子锁控制电路
警时间，以增加异常状况检测的细化程度。
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自 动化仪表
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第42卷
Fig. 4 Electronic lock control circuit
电子锁把手下方内置一个触发按键。在把手闭合
时，点击把手可以触发电子锁按键（S ,)，L O C K _K E Y 引脚状态由低电平变为高电平唤醒S T M 32L 152R C T 6, 通过扫码进行钥匙匹配。当巡检员钥匙和服务器下发 钥匙匹配成功时,S T M 32L 152R C T 6置L O C K _C T L 引脚 为高电平，使得开关M O S 管Q 2和Q ，漏-源极导通，从 而电磁铁通电，并通过弹开把手、旋转把手的方式 开门。当电磁铁％通电产生磁力时，可以使得干簧 管开关（S 2)闭合，L O C K _D E C 引脚上电平由高电平变 为低电平，为S T M 32L 152R C T 6提供电子锁开关状态。 在电子锁开通时，S T M 32L 152R C T 6通过L O C K _L E D 引 脚点亮LE ：D 灯D ,。当钥匙不匹配时，L E D 灯D ，闪烁。 当钥匙被冋收或匹配失败四次后，L E D 灯D ，熄灭。
反应（quick response ,Q R )码。
扫码成功后，S T M 32L 152R C T 6通过U S A R T ，获取
G M 65的扫码结果，对扫码结果和服务器下发的数字
钥匙进行匹配，并在匹配成功后开锁。G M 65扫码输 出数据由前缀、钥匙编码数据、后缀三部分组成，以 G B K 格式进行编码。扫码输出数据中的钥匙编码数 据由地区码、光交箱编号和随机码组成。
2.5传感器模块
传感器模块实现温湿度、水浸、振动和倾斜等参数 的定时测量和异常报警。相关信息可通过N B -I O T 网
络上传到服务器。
选用Si 7021作为温湿度传感器，内置了温度（热 敏电阻）和湿度（湿敏电容）传感器元件、模拟数字转 换器、信号处理、校准数据和集成电路（inter - integrated
circuit ,I 2C )总线主机接口。Si 7021 在-10~+85 X ：具
备±0. 4 T 温度测量精度，在0 ~ 80%相对湿度（relative
humidity ，R H )范围具备±3%测量精度，满足设计需要。 S T M 32L 152R C T 6通过I 2C 接口发送温度测量（0x E 3)
和湿度测量（0x E 5 )命令给Si 7021，启动相关测量工 作。Si 702对温湿度的测量需要一定的时间，因此在
S T M 32L 152R C T 6发送测量命令后，需要等待12 m s 之
后读取测量结果。在非测量周期，Si 7021处于待机模 式，待机电流60 n A ，符合低功耗需求。Si 7021的I2C 数据传输顺序如图6所示。
2.4扫码模块
G M 65扫码输出数据格式如图5所示。
启动PC
器件
写地址 (8位）
测量命令(8位）
等待测量| 结束
(12 ms) I
前缀
钥匙编码数据
前缀①②③④
“S T A «
地区码
光交箱编号
随机码
“END ”
重新启动
I2C
器件读地址读测童结果CRC 校验 (8位）结束I2C
(8位）(16位>图5 G M 65扫码输出数据格式
⑤⑥
⑦
⑧
⑨
Fig. 5 G M 65 scan output data format
图6 S i 7021的I2C 数据传输顺序
服务器向巡检员下达巡检任务，将当前巡检二维码 钥匙同步下发到需要巡检的智能光交箱锁终端。巡检 员到达现场，点击电子锁按键唤醒S T M 32L 152R C T 6，开 始二维码识别。扫码模块使用G M 65，二维码使用快速
+3.3 V
Fig. 6 I2C data transmission sequence of Si7021
滞回水浸检测报警电路由低功耗比较器T L V 7032 和双极性水浸传感器组成。水浸传感器电路和检测滞
回区间如图7所示。
W O ut
(a )水浸传感器电路(b >水浸传感器检测滞回区间
挺腰器图7 水浸传感器电路和检测滞回区间
Fig. 7
Immersion sensor circuit and detection hysteresis interval
第4期基于N B-I O T和扫码识别的智能光交箱锁设计徐灵飞，等• 19.
传感器阳极接人T L V7032阴极，比较器输出连接 S T M32L152R C T6，通过检测两个电极之间的阻值变化产 生报警信号。当出现水浸现象时，传感器阳极和阴极之 间的阻值发生变化。在水浸处于安全范围时，T L V7032输 出高电平（图7(b)中①）。当水浸超出安全范围时, T L V7032输出低电平（图7(b)中②)。在排除水浸危害 后，T L V7032输出信号经7(b)的③、④路径返回高电平。S T M32L152R C T6每30 m i n检测一次水浸信号。
为防止人为破坏和光交箱倾斜，使用加速度传感 器LIS3D H T R进行检测和预警U S3D H T R内置 算法可以处理运动检测、翻转等事件。根据需要配置 对应寄存器初始化，一旦检测到目标事件，LIS3D H T R 的I NT_1引脚会产生中断信号，并通知主控器。将 LIS3D H T R寄存器I N T1_C F G的A O I和6D两个位分别 设置为0和1使能6D方向上的运动检测，并设置中断 使能、加速度变化阈值等参数。当出现任意方向的强 烈振动时，会在I NT_1引脚上产生中断信号，以触发中 断实时处理。终端毎30 m i n读取一次LIS3D H T R在
三个方向的重力加速度分量，并计算光交箱的 倾斜角度。
2.6电源管理
整个智能光交箱锁终端可由锂电池或普通干电池 供电。为保证系统长时间工作的电源稳定性，设计由 电源电池分压电路和T L V7032组成的比较电路。在 电源电池电压降到报警点时，T L V7032输出电压
发生 反转并触发终端上传报警信号，提示及时进行维护。为保证电源电池能够在宽电压范围为终端提供稳定工 作电源，选用T P S63070升降压D C-D C电源芯片产生 统一的3.3 V终端工作电源。T P S63070可保证电源 电池在2~ 16 V的输入电压范围输出3.3 V，并提供最 大3.6 A的工作电流，满足系统要求。在采用4节南 孚干电池供电时，电池电源电压报警值设置为3 V。
3智能光交锁终端软件设计
3.1控制程序
终端控制程序流程如图8所示。
图8终端控制程序流程图
Fig. 8 Flowchart of terminal control program
终端控制程序实现电子锁控制、服务器通信、扫码 模块控制、温湿度检测、水浸检测、振动检测、倾斜检测 以及电池电压检测等功能。在终端上电启动后，首先 进行S T M32L152R C T6片上外设的初始化配置，包括通 用输人输出（general-purpose input/output,G P I0)接口、夕卜部中断、U S A R T、I2C、模数转换器（analog-to-digital
converter,A D C)、R T C等。然后，对扫码模块、各种传 感器模块N B-I0T模块进行初始化，并开始连接N B-
I0T网络。在N B-I0T连接服务器成功后，进行一次光 交箱状态检测，并将数据上传到服务器。然
后
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