CN109427116A - 一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，包括网关和智能锁，所述的网关包括带WIFI模块的网关主控微处理器和网关无线IoT模块，网关主控微处理器和网关IoT模块通过SPI接口连接，所述的智能锁包括主控MCU芯片，无线IoT模块、机械锁执行模块和接近传感器，MCU芯片和无线IoT模块之间通过SPI接口连接，MCU芯片与接近传感器之间通过I2C接口连接，所述MCU芯片上运行的固件程序控制智能锁的IoT模块与网关IoT模块在433M频段上的通讯。本发明的有益效果是可以进行一对多智能控制、具有低功耗无干涉。

Description

一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统
技术领域
本发明涉及健身房、高尔夫球场等大型储物管理领域，具体涉及一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统。
背景技术
智能锁是指区别于传统机械锁，基于物联网(IoT)网络，在用户识别、安全性、管理性方面更加智能化的锁具，门禁系统中锁门的执行部件。智能锁区别于传统机械锁,是具有安全性,便利性,先进技术的复合型锁具。而无线智能锁使用无线技术作为用户识别ID的成熟技术，如：射频卡，TM卡，手机APP，Zigbee或蓝牙或WiFi，互联网等。在以下场所应用较多：以及酒店，学校宿舍，居民小区(注重方便管理)，超市，浴场等。同时具备便利性，安全性，创造性，互动性等。
现有的无线智能锁系统存在着以下缺陷：
其一，现有的智能锁系统一般都采取一对一的连接和控制方式，当系统需要同时监测和控制多个智能锁时，采用该种连接方式就会造成实现复杂，成本较高的问题。
其二，当智能锁端采用电池供电时，对省电有较高的要求。考虑到锁具的开关，开关锁无线信号的收发和用户识别的耗电，现有的无线智能锁一般三、四个月就需要更换电池或给电池充电，在节电技术上存在较大改进的空间。
其三，现有的无线智能锁采用的无线技术一般是ZigBee、蓝牙和WiFi等，属于2.4GHz或5GHz ISM频段，存在通讯距离比较短，相互干扰严重等缺陷。在室内有墙等众多遮挡物的情况下，通讯距离一般在10米以内，中间不能超过2堵墙。
其四，现有的无线智能锁一般都不具备开门/开窗报警功能。开门/开窗报警功能需要一个额外的智能门窗报警器。无线智能锁+智能门窗报警器的方案存在实现复杂，成本较高的问题。而且现有的门窗报警器普遍采用磁性材料感应，存在着老化失效和弹簧疲惫等问题。
其五，现有的无线智能锁往往自带指纹识别，液晶屏幕，机械键盘等高成本的装置，由于现在智能手机普遍都拥有上述硬件，这些高成本的装置重复安装在智能锁上造成了的浪费，增加了不必要的成本，也增加了用户学习操作管理智能锁的麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以进行一对多智能控制、具有低功耗无干涉的智能锁系统。
本发明提供一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，包括网关和多个智能锁，所述网关一对多地对智能锁远程控制；
所述的网关包括带WIFI模块的网关主控微处理器和网关无线IoT模块，网关主控微处理器和网关IoT模块通过SPI接口连接，网关主控微处理器与手机APP和/或HTTP网页版接口通讯，同时控制网关的无线IoT模块与智能锁的无线IoT模块在433M频段上通讯；
所述的智能锁包括主控MCU芯片，无线IoT模块、机械锁执行模块，MCU芯片和无线IoT模块之间通过SPI接口连接，MCU芯片与接近传感器之间通过I2C接口连接，所述MCU芯片上控制智能锁的IoT模块与网关IoT模块在433M频段上的通讯，MCU芯片上接收智能锁网关的控制信息来控制机械锁执行模块运行锁的开关、设置和更新每把锁的访问密码；
多个智能锁指大于等于100个的智能锁。
通过本发明的连接装置，可以实现对于一对多远程控制智能锁。
优选的，所述的智能锁内包括精准时钟电路，用于使得智能锁定时睡眠，所述的网关主控微处理器包括轮询模块，用于间断性向多个智能锁的ID发送广播包，如果智能锁处于睡眠醒来、或被主动激活或有警报发生，则网关主控微处理器接收响应广播包的信号，若果没有事件发生，则智能锁修正自己的同步状态。
优选的，所述的精准时钟电路可使得智能锁端睡眠10秒。
优选的，所述的轮询模块每隔5ms向锁端列表发送广播包。
只有同步相应才能实现一对多的远程控制，现有技术中的专利或系统都是“异步相应”，即等待锁端有时间发生，主机才产生动作，异步相应都必须人到了现场才能开锁，而同步相应是指主机实时在监控锁端的情况。为了实现精确同步，在每一个锁端增加了额外的精准时钟电路(不使用MCU内部粗糙的32k手表时钟)，使得锁端最长的睡眠时间达到10秒，大大节约了锁的静态功耗。主微处理器使用“轮询”机制保证与锁端的连接与同步，每隔5ms，主微处理器会逐一向其内部登记的锁列表中的ID发送一个广播包，锁端如果正好睡眠结束醒来，或者被主动激活，或者正好有报警发生，则马上响应这个广播包，如果锁段没有任何事件发生，则修正自己的同步状态。当主微处理器支持的锁具数目是100个，每间隔5ms发一个广播包，给每个锁具各发一遍，总共只要耗时0.5秒，我们设定锁具最短睡眠时间是0.5秒，所以可以保证每一把锁都可以收到这个广播包。
智能网关与智能锁的同步机制如下：误操作网关每10秒想所有智能锁发送一个广播包，智能锁收到广播包后，复位收包，复位，睡眠，唤醒的过程。通过该同步机制，可以做到智能锁端的情形时间压缩到最短，显著降低了智能锁的消耗。当安全开关打开时，智能锁端将进入0.5秒的等待操作的待命状态，如果在1分钟内未接到网关发出的开关锁的指令，锁端将重新进入每10秒醒一次的低功耗同步状态。
优选的，所述的网关主控微处理器通过WiFi和/或云端与手机APP通讯。
优选的，智能锁还包括接近传感器，所述MCU芯片将接近传感器检测的门窗开关信息发送给网关。
优选的，所述的机械锁执行模块包括机械锁、开关马达和马达驱动模块，所述的MCU芯片接收到网关的控制信息后通过马达驱动模块驱动开关马达从而使得机械锁打开或闭合。
优选的，所述的MCU芯片读取电池电量发送至网关。
优选的，所述的智能锁上设有安全开关与MCU芯片通讯。
优选的，所述的433频段上设有AES加密模块。
优选的，所述的智能锁由电池供电。
优选的，所述的网关由交流转5V直流电源适配器供电。
在处理器中运行有固件程序，其功能如下：该程序控制无线IoT模块与智能网关上的无线IoT模块在433M频段上通讯。改程序读取电池电量信息和接近传感器检测的门窗开关信息并将其发送给智能锁网关。该程序接收智能锁网关的控制信息来操作锁的开关，设置或更新智能锁访问密码等。该程序在智能锁无动作时配置设备进入低功耗待机模式，仅维持和网关的定时同步，这样的涉及显著降低功耗。
一种利用带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统的控制方法，其特征在于，所述的网关，作为控制端控制多把无线智能锁的开关，同时作为监测端读取智能锁的状态信息；所述的无线智能锁，接收智能锁网关的指令开关锁，并回传自身的状态信息；网关的包括提供WiFi无线上网的接口的网关主控微处理器和负责和智能锁端在433M频段上的通信的网关无线IoT模块；网关无线IoT模块实现了与多把智能锁的同时的加密通讯；智能锁的主要元件包括机械锁具，控制锁具的马达，马达驱动电路和MCU芯片，作为主控芯片的MCU芯片，负责与智能锁网关通讯的433M无线IoT模块、责控制马达、控制无线IoT模块与智能网关通讯，并在空闲时将智能锁端置于低功耗模式。
所述的状态信息包括电池电量和门窗报警信息。
所述的智能锁还包括接近感应芯片，所述的网关接收门窗开关信息。
接近感应芯片通过光检测和红外检测实现了门窗开关报警。锁端的433M无线IoT模块实现了与网关的加密通讯。
所述的网关实现HTTP协议接口和MQTT协议接口，，可以在手机端或PC端通过网页或APP控制。
优选的，在每一个智能锁端增加了额外的精准时钟电路，使得锁端最长的睡眠时间达到10秒，主控制器使用设有轮询模块，所述轮询模块每隔5ms，逐一向其内部登记的智能锁列表中的ID发送一个广播包，智能锁端如果正好睡眠结束醒来，或者被主动激活，或者正好有报警发生，则马上响应这个广播包，如果锁段没有任何事件发生，则修正智能锁本身的同步状态。
由于主机一般支持的锁具数目是100个，每间隔5ms发一个广播包，给每个锁具各发一遍，总共只要耗时0.5秒，我们设定锁具最短睡眠时间是0.5秒，所以可以保证每一把锁都可以收到这个广播包。本发明采用网关加多把智能锁的组网和控制。在保证实时性，安全性和低成本的前提下，一个智能锁网关可以同时监测和控制多达100把智能锁。采用低功耗设计技术：材料上选用低功耗MCU芯片和低功耗无线通讯芯片；为节省无线通讯的功耗，设计了网关端和智能锁端的智能同步机制；同时在固件上实现了低功耗静态待机。以上方法极大降低了功耗，采用本发明实现的无线智能锁可以达到1～2年更换电池一次，相比现有的无线智能锁在同等供电(两节五号AA电池)和使用频率情况下，时间长达4倍以上。本发明采用了433M的ISM频段的无线技术，通讯距离可以达到普通无线智能锁的4～6倍。本发明将智能门窗报警和智能锁功能集成在一个智能锁设备内，提高了可用性，同时降低了成本。同时门窗感应采用低功耗接近传感器，避免了门磁的老化问题，保证了门窗报警在10年内都不会失效。以物联网服务器为中转和存储媒介，使用手机APP做为整个智能锁系统的配置、操作、报警的用户界面，降低了系统成本，方便了用户的使用和管理。
本发明搭建了一套无线智能锁系统，包括：无线智能锁网关，作为控制端控制多把无线智能锁的开关，同时作为监测端读取智能锁的状态信息，包括电池电量和门窗报警信息；无线智能锁，接收智能锁网关的指令开关锁，并回传自身的状态信息，包括电池电量和门窗报警等。智能锁网关的主要元件包括一个MCU模块作为主控并提供WiFi无线上网的接口，和一个无线IoT模块负责和智能锁端在433M频段上的通信。智能锁网关上实现了HTTP协议接口和MQTT协议接口，可以在手机端或PC端通过网页或APP控制。智能锁网关上的无线IoT模块实现了与多达100把锁的同时的加密通讯。智能锁的主要元件包括机械锁具，控制锁具的马达，马达驱动电路，作为主控芯片的MCU芯片，负责门窗报警的接近感应芯片，和负责与智能锁网关通讯的433M无线IoT模块等。主控芯片负责控制马达，读取电池电量和门窗报警等信息，控制无线IoT模块与智能网关通讯，并在空闲时将智能锁端置于低功耗模式。接近感应芯片通过光检测和红外检测实现了门窗开关报警。锁端的433M无线IoT模块实现了与网关的加密通讯。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是本发明智能锁系统的结构图；
图2是本发明智能锁网关的电路结构图；
图3是本发明智能锁的电路结构图。
具体实施方式
本发明搭建了一套无线智能锁系统，如图1所示，包括：无线智能锁网关，作为控制端控制多把无线智能锁的开关，同时作为监测端读取智能锁的状态信息，包括电池电量和门窗报警信息；无线智能锁，接收智能锁网关的指令开关锁，并回传自身的状态信息，包括电池电量和门窗报警等。智能锁网关的主要元件包括一个MCU模块作为主控并提供WiFi无线上网的接口，和一个无线IoT模块负责和智能锁端在433M频段上的通信。智能锁网关上实现了HTTP协议接口和MQTT协议接口，可以在手机端或PC端通过网页或APP控制。智能锁网关上的无线IoT模块实现了与多达100把锁的同时的加密通讯。智能锁的主要元件包括机械锁具，控制锁具的马达，马达驱动电路，作为主控芯片的MCU芯片，负责门窗报警的接近感应芯片，和负责与智能锁网关通讯的433M无线IoT模块等。主控芯片负责控制马达，读取电池电量和门窗报警等信息，控制无线IoT模块与智能网关通讯，并在空闲时将智能锁端置于低功耗模式。接近感应芯片通过光检测和红外检测实现了门窗开关报警。锁端的433M无线IoT模块实现了与网关的加密通讯。
本发明的硬件设备包括智能锁网关和智能锁两部分。
智能锁网关的结构如图2所示。该网关由交流转5v直流电源适配器供电，包括一个带WIFI模块的主控微处理器(MCU)，和一个无线IoT模块。MCU和无线IoT模块之间通过SPI接口连接。MCU上运行固件程序(firmware)，通过WiFi和云端与手机APP通信，接收手机APP发出的控制指令，并把相关信息发送给手机APP。用户除了通过手机APP控制外，该固件程序也实现了HTTP网页版的接口，可以在PC或手机上通过网页控制智能锁网关。该固件程序还同时控制网关的无线IoT模块与智能锁端的无线IoT模块在433M频段上通讯。为保证智能锁端的低功耗工作，该程序还对所有在线的智能锁端发送同步广播。
智能锁设备的结构如图3所示。该设备由两节AA电池供电，包括一个主控的MCU芯片，一个无线IoT模块，接近传感器，机械锁模块，机械锁开关马达，马达驱动电路，还有相应的定时电路和安全开关，稳压电源部分等。MCU芯片和无线IoT模块之间通过SPI接口连接。MCU芯片与接近传感器之间通过I2C接口连接。在MCU芯片上运行固件程序。该程序的功能如下：该程序控制无线IoT模块与智能锁网关上的无线IoT模块在433M频段上通讯。该程序读取电池电量信息和接近传感器检测的门窗开关信息并将其发送给智能锁网关。该程序接收智能锁网关的控制信息来操作锁的开关，设置或更新智能锁访问密码等。该程序在智能锁无动作时配置设备进入低功耗待机模式，仅维持和网关的定时同步，这样的设计显著降低了功耗。
智能锁网关和智能锁之间的时间同步机制如下：无操作时网关每10秒向所有智能锁发送一个广播包，智能锁收到广播包后，复位锁端的定时器，然后进入低功耗的睡眠模式，并定时在网关下一个广播包发送前被唤醒，重复收包，复位，睡眠，唤醒的过程。通过该同步机制，可以做到智能锁端的清醒时间压缩到最短，显著降低了智能锁的功耗。当安全开关打开时，智能锁端将进入0.5秒的等待操作的待命状态，如果在1分钟内未接到网关发出的开关锁的指令，锁端将重新进入每10秒醒一次的低功耗同步状态。
本发明的应用场景为，智能锁网关首次使用需要做初始配置，通过长按网关配置触摸键即可进入初始配置状态。通过网页或手机APP将当前无线WiFi网关和访问密码配置到智能锁网关后即可使用。当无线上网环境有变化时，需要重新配置智能锁网关。智能锁设备的加入和退出由手机APP或网页操作。手机APP可以通过云端操作每把智能锁的开关，读取每把智能锁的当前电量，设置和更新每把智能锁的访问密码。当锁端非APP控制的门窗开关发生时，手机APP将收到实时的报警信息。
应当理解的是，以上所述，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，包括网关和多个智能锁，所述网关一对多地对智能锁远程控制；
所述的网关包括带WIFI模块的网关主控微处理器和网关无线IoT模块，网关主控微处理器和网关IoT模块通过SPI接口连接，网关主控微处理器与手机APP和/或HTTP网页版接口通讯，同时控制网关的无线IoT模块与智能锁的无线IoT模块在433M频段上通讯；
所述的智能锁包括主控MCU芯片，无线IoT模块、机械锁执行模块，MCU芯片和无线IoT模块之间通过SPI接口连接，MCU芯片与接近传感器之间通过I2C接口连接，所述MCU芯片上控制智能锁的IoT模块与网关IoT模块在433M频段上的通讯，MCU芯片上接收智能锁网关的控制信息来控制机械锁执行模块运行锁的开关、设置和更新每把锁的访问密码；
多个智能锁指大于等于100个的智能锁。
2.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的智能锁内包括精准时钟电路，用于使得智能锁定时睡眠，所述的网关主控微处理器包括轮询模块，用于间断性向多个智能锁的ID发送广播包，如果智能锁处于睡眠醒来、或被主动激活或有警报发生，则网关主控微处理器接收响应广播包的信号，若果没有事件发生，则智能锁修正自己的同步状态。
3.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的网关主控微处理器通过WiFi和/或云端与手机APP通讯。
4.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，智能锁还包括接近传感器，所述MCU芯片将接近传感器检测的门窗开关信息发送给网关。
5.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的机械锁执行模块包括机械锁、开关马达和马达驱动模块，所述的MCU芯片接收到网关的控制信息后通过马达驱动模块驱动开关马达从而使得机械锁打开或闭合。
6.根据权利要求4所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的MCU芯片读取电池电量发送至网关。
7.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的智能锁上设有安全开关与MCU芯片通讯。
8.根据权利要求1所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统，其特征在于，所述的网关由交流转5V直流电源适配器供电。
9.一种利用权利要求1至8任一所述的带接近感应报警功能的多节点省电无线智能锁系统的控制方法，其特征在于，所述的网关，作为控制端控制多把无线智能锁的开关，同时作为监测端读取智能锁的状态信息；所述的无线智能锁，接收智能锁网关的指令开关锁，并回传自身的状态信息；网关的包括提供WiFi无线上网的接口的网关主控微处理器和负责和智能锁端在433M频段上的通信的网关无线IoT模块；网关无线IoT模块实现了与多把智能锁的同时的加密通讯；智能锁的主要元件包括机械锁具，控制锁具的马达，马达驱动电路和MCU芯片，作为主控芯片的MCU芯片，负责与智能锁网关通讯的433M无线IoT模块、责控制马达、控制无线IoT模块与智能网关通讯，并在空闲时将智能锁端置于低功耗模式。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在每一个智能锁端增加了额外的精准时钟电路，使得锁端最长的睡眠时间达到10秒，主控制器使用设有轮询模块，所述轮询模块每隔5ms，逐一向其内部登记的智能锁列表中的ID发送一个广播包，智能锁端如果正好睡眠结束醒来，或者被主动激活，或者正好有报警发生，则马上响应这个广播包，如果锁段没有任何事件发生，则修正智能锁本身的同步状态。
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