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一款智能门锁的硬件设计方案,NB-IOT和BLE双模-燚智能周教授

简介

概述 市面上各种款式的智能门锁,在通信方式上,使用单一的蓝牙型产品居多,或者是2G+蓝牙的通信方式。 为了实现更低的功耗,更好的连接质量,本方案设计为NB-IOT+蓝牙BLE通信的方式。 (2G网络在物联网中稳定性不够高,高峰期地铁站摩拜单车难开锁,就是网络堵塞的原因)

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概述

市面上各种款式的智能门锁,在通信方式上,使用单一的蓝牙型产品居多,或者是2G+蓝牙的通信方式。

为了实现更低的功耗更好的连接质量,本方案设计为NB-IOT+蓝牙BLE通信的方式。

(2G网络在物联网中稳定性不够高,高峰期地铁站摩拜单车难开锁,就是网络堵塞的原因)

整体设计思路:

当遇到家里老人,小孩忘记带钥匙,家里临时来比较重要的客人的时候。主人可以手机APP,远程控制门锁,通过NB-IOT的数据连接,服务器下发开门的指令,达到远程开锁的效果。

当主人正常回家时,也可以通过手机APP,蓝牙连接到门锁,实现开门的动作。

在NB-IOT或者蓝牙开锁的模式下,通过AES加密和特定的密码校验指令,实现远程连接的安全问题。

下面介绍一下整体方案的实现方法。(燚智能物联网解决方案)

硬件框图

整个系统由STM8L作为主MCU,外挂有NB-IoT模块和BLE芯片,系统框图如下图所示:

开发案例分析丨一款智能门锁的硬件设计方案,NB-IOT和BLE双模!

系统架构图

功能及选型

  • MCU

STM8L是ST专门为低功耗设计而推出的8位单片机,该型号配置如下图,满足于3个串口的需求,选用最小48引脚封装设计。功耗很低,价格也便宜。

开发案例分析丨一款智能门锁的硬件设计方案,NB-IOT和BLE双模!

STM8L的参数

  • NB-IoT

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)基于蜂窝的窄带物联网,作为新一代的物联网通信方式, 其具有以下特点:

1.覆盖广且深,比GPRS覆盖增强20dB+(相当于距离增加4倍)

2.强连接,50k用户容量,比2G网络多几百倍。

3。功耗低,微安级的待机功耗,比2G小一个数量级。

4.成本低,运营商补贴后,和2G价格相当

在智能锁应用中,使用NB-IoT可以解决通信覆盖问题以及电量使用问题,可以几年不用更换电池,极大降低了维护成本。

本设计NB-IoT模块采用移远BC95模块,核心通信芯片是华为海思研发的首款 NB-IoT 物联网芯片,具有高集成度、低成本的特点,BC95 模组是贴片式模组,尺寸仅有 23.4mm x 19.6mm x 2.3mm。

(燚智能物联网解决方案)

  • 蓝牙BLE

蓝牙BLE用于实现与手机APP之间进行数据传输和ibeacon功能。本设备中采用BLE4.2,使用dialog芯片,该芯片在睡眠模式下功耗不到1uA。

该芯片数据传输及ibeacon功能都已经设计验证过,可稳定可靠使用。

开发案例分析丨一款智能门锁的硬件设计方案,NB-IOT和BLE双模!

  • 门锁控制

智能锁硬件结构直接使用的”P-Lock”,包括动作结构、电机、限位开关。经测试,电机可以在2.5V以上驱动,3.6V锂亚电池完全可正常使用。电机正常转动时,电流大约40mA,当电机堵转时,最大电流可达300mA。

电机驱动采用H桥电路,控制三极管的导通情况,从而控制电机的正反转。驱动原理如下图所示:

开发案例分析丨一款智能门锁的硬件设计方案,NB-IOT和BLE双模!

  • 电池及功耗

本设计采用一次性的锂亚电池供电,功耗非常重要。为了把功耗降到最低,仅在需要接收下发通知时,开启NB-IoT长连接。在不同条件下选择不同的工作方式。工作状态机如下:

锁状态

工作模块

工作电流

执行动作

关闭

NB-IoT连接状态

BLE广播

约0.52mA

监听服务器下发通知,开启BLE通信服务。

开启过程

NB-IoT进入睡眠

BLE停止广播

约40mA

电机正转

远程开启

NB-IoT连接状态

BLE广播

约0.52mA

监听服务器下发通知,开启BLE通信服务

关闭过程

NB-IoT进入睡眠

BLE停止广播

约40mA

电机反转

采用10000mAh的单节锂亚电池,预计能够使用2年。


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