CN110807848A - 一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能井盖锁系统技术领域，且公开了一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，包括感知层、网络层和应用层；所述感知层获取井盖倾斜及开锁数据通过网络模块进行上传。该基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，通过配合设计的机械结构能代替传统机械锁，实现开锁权限可设置，即只有专用开锁设备得到授权才能打开锁，并对开锁信息进行记录及实现对井盖状态的监测等功能，也可实现对井盖锁的倾斜监测，经过半年多的实地测试，每个智能井盖锁终端都能够及时反馈报警信息，并且可以实现井盖倾斜、电量不足和设备掉线报警，以及开锁关锁信息及时上传，能够有效的帮助管理人员对井盖进行监测与管理。

Description

一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统

技术领域

本发明属于智能井盖锁系统技术领域，具体涉及一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国的城市现代化进程也在快速推进，由此推动了城市基础设施的建设，例如地下排水排污管道，地下电缆电线的排线，地下天然气管道的安置等等，为了方便后期的维护和管理，工作人员设置了诸多检查井，大量的检查井的设置最终使得每一个城市出现了大量的井盖，当前每个城市检查井的数量己经达到几十万甚至上百万，如此多的检查井的出现，也就意味着我们并不能对每一个检查井做到实时监控和管理，这就导致井盖问题的出现。由于我们的监控和管理方式不到位，导致社会上的不法分子做出偷窃检查井的铸铁井盖，盗窃检查井内的电缆电线等犯罪行为，给企业和广大用户造成难以估量的经济损失，井盖的丢失也会存在诸多隐患，如行人不小心掉落检查井中，汽车轮胎陷入检查井中等等。还有企业公用地下通道，各企业员工随便打开井盖，没有记录给管理带来麻烦。这些问题不仅影响着相关企业设备的正常使用，也会造成不必要的经济损失，甚至会引发社会风气不正的危机。

为了尽量防止井盖隐患的发生，我国的许多城市采取了人工巡查的方式进行定期的监测。但是人工巡查不可能实时的监测城市井盖状况，也不能及时发现所有的问题井盖，井盖出现问题有时需要很久才能发现，而往往危害就产生在这个时间段，并且实施专人巡查会造成大量的人力、物力、财力的浪费。

目前井盖防盗锁的几种类型：一为铁链联接法，二为铰链联接法，三为止口反旋技巧法，四为螺栓堵孔技巧法，五为锁头钥匙法，六为拨叉关节联动法；其中，一、二种均不能将井盖与井圈锁为一体，容易打开，用钢钎即能将铁链、铰链撬断；第三种只需反向旋转到位，即可打开并拿走井盖；第四种用螺栓、螺母堵住了铁钩孔，但只要将一个弯成弓形铁丝的两端头，插进螺栓头下的两凹槽里，即可打开并拿走井盖；第五、六种虽能将井盖与井圈锁定为一体，但对配合空间和配合精度要求高，需铸造新井盖与之配合，不能将现有井盖改造使用，耗资颇大，而且解决不了“防锈死”的难题，装用半年左右自己亦无法打开，不能下井作业。

随着物联网技术的发展，万物互联的概念，考虑目前传统机械锁定的缺点、人工巡查井盖的不足、以及当前井盖问题的频发，设计了一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统。

发明内容

本发明提供了一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，具备只有专用开锁设备得到授权才能打开锁，并对开锁信息进行记录及实现对井盖状态的监测，井盖如有倾斜实时报警，方便管理人员及时处理问题的优点，解决了背景技术中所提到的问题。

为实现以上目的，本发明提供如下技术方案予以实现：一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，包括感知层、网络层和应用层；所述感知层获取井盖倾斜及开锁数据通过网络模块进行上传；所述网络层负责传递和处理感知层获取的数据，并将这些数据上传到物联网管理平台；所述应用层负责将井盖锁相关数据呈现到电脑或手机端，从而实现井盖锁通过NB-IoT网络与云服务器的远程连接，异常、开锁信息及时上传到云服务器，达到对井盖锁的实时监测；该系统包含三大部分：井盖锁终端、钥匙终端和云服务器，所述井盖锁终端主要由控制芯片、通信、电机驱动、倾斜监测等模块组成，所述钥匙终端由控制芯片、NFC读写模块、语音模块和存储等模块组成，井盖锁与钥匙设备之间通过NFC进行通信，实现开关锁，所述井盖锁终端包括有锁体电路，所述锁体电路由智能井盖锁终端控制芯片、NFC标签模块NB-IoT模块、电机驱动模块和电源和倾斜监测模块组成；所述钥匙终端包括有钥匙电路和软件设计，所述钥匙电路由钥匙终端控制芯片、NFC读写模块、语音模块、存储模块及USB模块和电源管理模块组成；所述软件设计由无线通信设计、开关锁软件设计、低功耗方案设计和钥匙端软件设计组成。

进一步，所述智能井盖锁终端控制芯片采用STM32L051C8T6芯片，该芯片基于32位的ARM Cortex-M0+内核，最高主频为32MHz，有8KB RAM和64KB FLASH；所述NFC标签模块中的M24LR04是意法半导体公司推出的一款新型无线存储器芯片，工作频率为13.56 MHz，该芯片拥有4 Kbit EEPROM，具有支持ISO15693和ISO18000-3协议标准的射频通信接口和400Kb/s速率的标准IIC串行有线接口。可通过无线射频接口模式和有线IIC接口模式两种方式对NFC标签读写。

进一步，所述NB-IoT模块采用稳恒科技生产的WH-NB73模块，该模块基于华为Boudica 120芯片，支持3GPP Release 13标准协议，工作在B5频段，支持IP、UDP和CoAP三种协议，相较于GPRS，有20dB的信号强度增益，并且Boudica 120芯片集成了AP+CP+SP三个ARM内核；所述电机驱动模块采用直流减速电机，配合特定的机械结构实现开关锁的，驱动芯片为MX113L芯片，MX113L芯片的工作电压为2V-8V且待机电流小于0.1uA，能够满足低功耗的需求，驱动电路必须添加对地去耦电容C20。

进一步，整个锁体电路采用3.6V ER34615型锂电池供电，由于MCU和NFC标签需要3.3V电压，故通过低压差线性稳压器输出固定3.3V电压。倾斜监测采用BL-108 20度倾斜滚珠开关，接控制芯片GPIO口，当倾斜度数超过20度时，为通路状态，能够实现360度全方向倾斜触发。

进一步，所述钥匙终端控制芯片采用意法半导体公司设计的STM32F103C8T6芯片，该芯片内核为Cortex-M3，最高工作频率为72MHz，拥有最多80个IO接口、两个IIC接口、三个USART接口和两个SPI接口，能够满足设计需要，外部晶振为8MHz，采用SWD调试方式；所述NFC读写模块采用意法半导体公司设计的CR95HF-VMD5T芯片，采用SPI方式与控制芯片通信；所述语音模块采用SYN6288芯片，SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换。

进一步，所述存储模块分为FLASH存储芯片和EEPROM存储芯片，EEPROM用来存放易变信息，比如操作日志条数；FLASH用来存放权限和日志信息，FLASH采用W25Q32芯片；USB模块主要实现通过串口实现PC与控制芯片之间的通信。

进一步，所述无线通信设计中的NB-IoT模块负责井盖锁终端和应用服务器之间的通信问题，NB-IoT模块配置通过AT指令完成，主要包括初始化USIM卡，搜索网络信号、绑定IP地址、建立数据链接等；所述开关锁软件设计中的开关锁是由电机驱动机械结构实现的，锁体与钥匙设备之间通过NFC读写模式进行通信，采用ISO 15693标准协议。NFC技术由无线射频技术（RFID）发展而来，其技术的基本工作原理并不复杂。一般要经过侦测标签，读取标签和数据处理等。

进一步，所述低功耗方案设计采用STM32L051C8T6芯片作为智能井盖锁终端电路控制芯片，STM32L051系列是意法半导体公司推出的低功耗芯片，STOP模式下最大待机电流仅为0.8uA，并且3.5us即可被唤醒。在低功耗设计的思路上，采用的是终端无数据传输时，将除SWD调试接口外的所有IO设置成模拟输入模式，关闭所有外设的时钟，然后控制芯片进入STOP模式。唤醒采用RTC定时唤醒或外部中断唤醒，唤醒后重新配置要使用的IO和外设，发送数据；所述钥匙端软件设计通过对钥匙端主要进行校对权限实现开关锁，权限信息存储在FLASH芯片的Block0和Block1中，日志信息存储在Block2-Block62中，EEPROM用来存储日志和权限数量，电脑端通过串口助手可对钥匙的权限进行修改，以及将日志上传到电脑。

进一步，所述云服务器应用层软件采用Java语言开发，工程由主流的Spring+Spring MVC+Mybatis框架搭建，软件接入百度地图，将每个智能锁安装的位置标注在地图上，鼠标点击标识点可以显示该智能锁的电量和网络信号信息，并且设置标识点颜色表示智能锁正常工作、电量不足和掉线三种状态。为了方便管理人员，应用层主要包括以下各模块：

1）授权中心：该模块负责添加钥匙设备，并对钥匙开锁进行授权；

2）站点管理：根据窖井的类型或者分布区域对井盖进行分类或分区管理，方便管理人员查看分管的井盖；

3）锁具中心：包含钥匙管理和智能锁管理两部分，主要负责对井盖锁和钥匙设备进行删除和重命名，以及显示钥匙授权信息；

4）消息中心：包括授权消息列表、设备信息和开关锁日志三种消息。授权消息列表主要包含授权钥匙设备、授权锁具、授权开始和结束时间；设备信息负责显示井盖的状态信息包括信号、电量是否倾斜等信息；开关锁信息是对每次开锁、关锁的时间和钥匙设备进行记录。

有益效果：

1、该基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，通过配合设计的机械结构能代替传统机械锁，实现开锁权限可设置，即只有专用开锁设备得到授权才能打开锁，并对开锁信息进行记录及实现对井盖状态的监测等功能，也可实现对井盖锁的倾斜监测，经过半年多的实地测试，每个智能井盖锁终端都能够及时反馈报警信息，并且可以实现井盖倾斜、电量不足和设备掉线报警，以及开锁关锁信息及时上传，能够有效的帮助管理人员对井盖进行监测与管理。

2、该基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，采用电机驱动锁舌实现开关锁的方式，可以设计各种锁体装置，适用性很强，该系统具有工作稳定、组网简单、实时性响应良好等特点，能够防止井内设备被盗，及时反馈井盖倾斜信息，配合设计的锁体装置，可直接在原来井盖上安装，代替了人工巡检，提高了管理人员的效率，为智慧城市的建设打好基础。

附图说明

图1为本发明中智能井盖锁系统模型示意图；

图2为本发明中的NFC标签模块电路图；

图3为本发明中的NB-IoT模块电路图；

图4为本发明中的电机驱动模块电路图；

图5为本发明中的NFC读写模块电路图；

图6为本发明中的语音模块电路图；

图7为本发明中的FLASH芯片电路图；

图8为本发明中的EEPROM芯片电路图；

图9为本发明中的USB模块电路图；

图10为本发明中的电源管理模块电路图；

图11为本发明中的线性降压芯片电路图；

图12为本发明中的的NFC通信流程图；

图13为本发明中的的开关锁流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-13，一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，包括感知层、网络层和应用层；窄带物联网是成为万物互联网络的一个重要分支，其由NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本实现平滑升级，感知层获取井盖倾斜及开锁数据通过网络模块进行上传；网络层负责传递和处理感知层获取的数据，并将这些数据上传到物联网管理平台；应用层负责将井盖锁相关数据呈现到电脑或手机端，从而实现井盖锁通过NB-IoT网络与云服务器的远程连接，异常、开锁信息及时上传到云服务器，达到对井盖锁的实时监测；该系统包含三大部分：井盖锁终端、钥匙终端和云服务器，井盖锁终端主要由控u；通信、电机驱动、倾斜监测等模块组成，钥匙终端由控制芯片、NFC读写模块、语音模块和存储等模块组成，井盖锁与钥匙设备之间通过NFC进行通信，实现开关锁，井盖锁终端包括有锁体电路，锁体电路由智能井盖锁终端控制芯片、NFC标签模块NB-IoT模块、电机驱动模块和电源和倾斜监测模块组成；钥匙终端包括有钥匙电路和软件设计，钥匙电路由钥匙终端控制芯片、NFC读写模块、语音模块、存储模块及USB模块和电源管理模块组成；软件设计由无线通信设计、开关锁软件设计、低功耗方案设计和钥匙端软件设计组成。

其中，智能井盖锁终端控制芯片采用STM32L051C8T6芯片，该芯片基于32位的ARMCortex-M0+内核，最高主频为32MHz，有8KB RAM和64KB FLASH，且该芯片上资源丰富，能够满足倾斜监测、电机驱动、NB-IoT通信和NFC标签读写等需求，而且物联网终端控制芯片大多处于待机模式等待唤醒的状态，STM32L051系列能够在满足功能设计的情况下，提供更低的功耗；NFC标签模块中的M24LR04是意法半导体公司推出的一款新型无线存储器芯片，工作频率为13.56 MHz，该芯片拥有4 Kbit EEPROM，具有支持ISO15693和ISO18000-3协议标准的射频通信接口和400 Kb/s速率的标准IIC串行有线接口。可通过无线射频接口模式和有线IIC接口模式两种方式对NFC标签读写，在无线射频接口的模式下，以接收到的射频载波信号为工作电源，存储器结构为位，一次可以写入32bit的数据；在有线IIC接口模式下，接收处理器发来的IIC读写信号，并通过VCC电源线供电，工作电压选择3.3V，其存储结构为位，M24LR04的电路连接如说明书附图的图2所示，M24LR04芯片的SCL、SDA引脚接控制芯片的I2C1_SCL和I2C1_SDA引脚。

其中，NB-IoT模块采用稳恒科技生产的WH-NB73模块，该模块基于华为Boudica120芯片，支持3GPP Release 13标准协议，工作在B5频段，支持IP、UDP和CoAP三种协议，相较于GPRS，有20dB的信号强度增益，并且Boudica 120芯片集成了AP+CP+SP三个ARM内核，采用低功耗设计，能够满足系统功能的需求，NB-IoT模块电路设计如说明书附图的图3所示，工作电压为3.6V，通过串口与控制芯片通信，模块UART0_RXD和UART0_TXD引脚分别接主控芯片的USART2_TX和USART2_RX引脚。为防止静电对USIM卡及芯片造成损坏，须要增加TVS管进行静电保护，作为ESD（Electro-Static Discharge）防静电措施；电机驱动模块采用直流减速电机，配合特定的机械结构实现开关锁的，驱动芯片为MX113L芯片，电机驱动模块电路设计如说明书附图的图4所示，MX113L芯片的工作电压为2V-8V且待机电流小于0.1uA，能够满足低功耗的需求，驱动电路必须添加对地去耦电容C20，其目的有两个：一是吸收马达向电源释放的能量，稳定电源电压，避免电路因为过压而被击穿；二是在马达起动或者快速正转、反转切换的瞬间，马达需要瞬间大电流才能迅速启动，由于电池不能立即输出瞬态大电流，故需要添加电容。由于电机模块电压不高，故选择4.7uF的电容。当芯片引脚IN1和IN2输入低电平时，驱动模块处于待机模式；当芯片引脚IN1输入高电平、IN2输入低电平时，驱动电机正转；反之则电机倒转。

其中，整个锁体电路采用3.6V ER34615型锂电池供电，由于MCU和NFC标签需要3.3V电压，故通过低压差线性稳压器输出固定3.3V电压。倾斜监测采用BL-108 20度倾斜滚珠开关，接控制芯片GPIO口，当倾斜度数超过20度时，为通路状态，能够实现360度全方向倾斜触发，滚珠开关在常通状态容易产生误触发，在使用时应让开关是断开状态，倾斜导通才能触发动作。故滚珠开关一脚可接高电平，控制芯片外部中断设置为上升沿触发。

其中，钥匙终端控制芯片采用意法半导体公司设计的STM32F103C8T6芯片，该芯片内核为Cortex-M3，最高工作频率为72MHz，拥有最多80个IO接口、两个IIC接口、三个USART接口和两个SPI接口，能够满足设计需要，外部晶振为8MHz，采用SWD调试方式；NFC读写模块采用意法半导体公司设计的CR95HF-VMD5T芯片，采用SPI方式与控制芯片通信，电路连接如说明书附图的图5所示，其中NFC_CS、NFC_SCK、NFC_MISO、NFC_MOSI分别接控制芯片的PA4—PA7引脚，NFC_INTOUT和NFC_INTIN接控制芯片的PB0和PB1引脚，VPS和VPS_TX通过滤波电容接地，JP2为天线引脚，天线设计为直径为3.3cm；语音模块采用SYN6288芯片，SYN6288中文语音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的一款性价比更高，效果更自然的一款中高端语音合成芯片，SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换，电路连接图如说明书附图的图6所示，采用3.3V电压供电，RXD和TXD引脚接控制芯片的PA9和PA10引脚，R/B引脚接控制芯片PA8，BP0和BN0通过功率放大芯片PAM8303D的IN-和IN+引脚，PAM8303D的OUT-和OUT+引脚接2W喇叭，SD引脚接控制芯片PB11引脚。PAM8303D芯片供电电压为5V。

其中，存储模块分为FLASH存储芯片和EEPROM存储芯片，EEPROM用来存放易变信息，比如操作日志条数；FLASH用来存放权限和日志信息，FLASH采用W25Q32芯片，电路连接如说明书附图的图7所示，供电电压为3.3V，控制芯片通过SPI通信方式对其进行读写，CS、CLK、DO/IO1、DO/IO0引脚分别接控制芯片的PB12-PB15。EEPROM采用AT24C256系列芯片，电路连接如说明书附图的图8所示，供电电压为3.3V，控制芯片通过IIC通讯方式对其进行读写，SCL和SDA引脚接控制芯片的PB6和PB7引脚；USB模块主要实现通过串口实现PC与控制芯片之间的通信，如说明书附图的图9所示 J2为microUSB的接口模型，其DM和DP引脚接控制芯片的PA11和PA12。CH4054是锂电池充电管理芯片，电路如说明书附图的图10所示，J1为电池引脚，钥匙设备采用5V锂电池供电，VBAT为5V，还需通过RT9193-33芯片将5V电压降至3.3V，电路如说明书附图的图11所示。

其中，无线通信设计中的NB-IoT模块负责井盖锁终端和应用服务器之间的通信问题，NB-IoT模块配置通过AT指令完成，主要包括初始化USIM卡，搜索网络信号、绑定IP地址、建立数据链接等，智能锁终端控制芯片将采集到的钥匙开锁和倾斜异常等数据按照表1所示的帧格式进行编码，通过串口以AT命令的形式将数据发送至NB-IoT模块，为降低功耗，串口波特率设置为9600。然后NB-IoT模块通过CoAP协议将数据发送至物联网管理平台；物联网平台收到数据后自动寻找编解码配置文件，将CoAP协议包的解析为Json格式的数据并存储；应用层软件通过物联网平台提供的北向接口获取数据。为满足低功耗的设计，在控制芯片进入休眠模式，会通过IO口发送关机脉冲，关闭通信模块。当需要上传数据时，控制芯片会发送开机脉冲给NB-IoT模块，将接收到的数据发出；开关锁软件设计中的开关锁是由电机驱动机械结构实现的，锁体与钥匙设备之间通过NFC读写模式进行通信，采用ISO 15693标准协议。NFC技术由无线射频技术（RFID）发展而来，其技术的基本工作原理并不复杂。一般要经过侦测标签，读取标签和数据处理等，系统的NFC通信流程如说明书附图的图12所示，主要包括系统初始化和开关锁协议设计两个部分，首先，NFC标签大部分时间处于休眠状态，当有NFC阅读器天线靠近标签由磁场耦合获得足够的能量时，NFC标签被唤醒进入准备状态，同时通过外部中断引脚唤醒锁体控制芯片切换至正常工作状态，完成系统近场通信的初始化。

开关锁的设计流程如说明书附图的图13所示，主要通过控制无线射频接口和IIC接口读写NFC标签EEPROM实现的。M24LR04提供一个特殊的密码式保护机制，每个扇区都配有一个安全状态字节，具体如表2所示，b0设置为1，开启扇区锁保护，b2和b1设置为10，只有提交密码时扇区才可以读写，b4和b3设置为01，采用密码1保护各个扇区，钥匙设备向NFC标签发送密码，若校对密码正确，然后进行权限验证，其设计思想是，每个锁NFC标签的EEPROM的Block 0中存储锁的16位ID信息，若授权钥匙设备开锁，将其ID信息写入钥匙设备的FLASH中，钥匙设备读取该锁的ID信息，并与FLASH存储的ID信息进行校验。当权限通过时，需要读取该锁的状态标志位，以便发送开锁或关锁命令，即对EEPROM 的Block 1中写入开锁标志位或关锁标志位。锁体控制芯片通过IIC接口读取该标志位，从而发送驱动电机命令，实现开关锁。开关锁完成后，控制芯片发送命令擦除该标志位，并且将开锁信息通过NB-IoT网络发送到物联网管理平台。

表1 数据帧格式

字段	数据类型	长度
			CLOCK_Power	U16	2字节
CLOCK_signal	U16	2字节
			CLOCK_exception	U16	2字节
CLOCK_unclock[2]	U16	2字节

表2 扇区安全状态字节结构

b7	b6	b5	b4 b3	b2 b1	b1
						0	0	0	密码控制位	该写保护位	扇区锁保护位

其中，低功耗方案设计采用STM32L051C8T6芯片作为智能井盖锁终端电路控制芯片，STM32L051系列是意法半导体公司推出的低功耗芯片，STOP模式下最大待机电流仅为0.8uA，并且3.5us即可被唤醒。在低功耗设计的思路上，采用的是终端无数据传输时，将除SWD调试接口外的所有IO设置成模拟输入模式，关闭所有外设的时钟，然后控制芯片进入STOP模式。唤醒采用RTC定时唤醒或外部中断唤醒，唤醒后重新配置要使用的IO和外设，发送数据，当智能井盖锁安装完成后，位置固定，故其网络信号基本不会变化，电量信息和信号强度每三个小时上传一次，电量预警、设备掉线、井盖发生倾斜以及开锁时，会触发外部中断唤醒终端。实际待机的电流仅为20uA，达到了低功耗的设计要求；钥匙端软件设计通过对钥匙端主要进行校对权限实现开关锁，权限信息存储在FLASH芯片的Block0和Block1中，日志信息存储在Block2-Block62中，EEPROM用来存储日志和权限数量，电脑端通过串口助手可对钥匙的权限进行修改，以及将日志上传到电脑，语音模块实现开关锁语音播报，方便管理人员使用。

其中，云服务器应用层软件采用Java语言开发，工程由主流的Spring+Spring MVC+Mybatis框架搭建，该部分主要实现的是通过物联网平台北向接口获取数据以及进行处理显示，方便管理人员查看，软件接入百度地图，将每个智能锁安装的位置标注在地图上，鼠标点击标识点可以显示该智能锁的电量和网络信号信息，并且设置标识点颜色表示智能锁正常工作、电量不足和掉线三种状态。为了方便管理人员，应用层主要包括以下各模块：

1）授权中心：该模块负责添加钥匙设备，并对钥匙开锁进行授权；

2）站点管理：根据窖井的类型或者分布区域对井盖进行分类或分区管理，方便管理人员查看分管的井盖；

3）锁具中心：包含钥匙管理和智能锁管理两部分，主要负责对井盖锁和钥匙设备进行删除和重命名，以及显示钥匙授权信息；

4）消息中心：包括授权消息列表、设备信息和开关锁日志三种消息。授权消息列表主要包含授权钥匙设备、授权锁具、授权开始和结束时间；设备信息负责显示井盖的状态信息包括信号、电量是否倾斜等信息；开关锁信息是对每次开锁、关锁的时间和钥匙设备进行记录。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：包括感知层、网络层和应用层；所述感知层获取井盖倾斜及开锁数据通过网络模块进行上传；所述网络层负责传递和处理感知层获取的数据，并将这些数据上传到物联网管理平台；所述应用层负责将井盖锁相关数据呈现到电脑或手机端，从而实现井盖锁通过NB-IoT网络与云服务器的远程连接，异常、开锁信息及时上传到云服务器，达到对井盖锁的实时监测；该系统包含三大部分：井盖锁终端、钥匙终端和云服务器，所述井盖锁终端主要由控制芯片、通信、电机驱动、倾斜监测等模块组成，所述钥匙终端由控制芯片、NFC读写模块、语音模块和存储等模块组成，井盖锁与钥匙设备之间通过NFC进行通信，实现开关锁，所述井盖锁终端包括有锁体电路，所述锁体电路由智能井盖锁终端控制芯片、NFC标签模块NB-IoT模块、电机驱动模块和电源和倾斜监测模块组成；所述钥匙终端包括有钥匙电路和软件设计，所述钥匙电路由钥匙终端控制芯片、NFC读写模块、语音模块、存储模块及USB模块和电源管理模块组成；所述软件设计由无线通信设计、开关锁软件设计、低功耗方案设计和钥匙端软件设计组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述智能井盖锁终端控制芯片采用STM32L051C8T6芯片，该芯片基于32位的ARM Cortex-M0+内核，最高主频为32MHz，有8KB RAM和64KB FLASH；所述NFC标签模块中的M24LR04是意法半导体公司推出的一款新型无线存储器芯片，工作频率为13.56 MHz，该芯片拥有4 KbitEEPROM，具有支持ISO15693和ISO18000-3协议标准的射频通信接口和400 Kb/s速率的标准IIC串行有线接口，可通过无线射频接口模式和有线IIC接口模式两种方式对NFC标签读写。

3.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述NB-IoT模块采用稳恒科技生产的WH-NB73模块，该模块基于华为Boudica 120芯片，支持3GPP Release 13标准协议，工作在B5频段，支持IP、UDP和CoAP三种协议，相较于GPRS，有20dB的信号强度增益，并且Boudica 120芯片集成了AP+CP+SP三个ARM内核；所述电机驱动模块采用直流减速电机，配合特定的机械结构实现开关锁的，驱动芯片为MX113L芯片，MX113L芯片的工作电压为2V-8V且待机电流小于0.1uA，能够满足低功耗的需求，驱动电路必须添加对地去耦电容C20。

4.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：整个锁体电路采用3.6V ER34615型锂电池供电，由于MCU和NFC标签需要3.3V电压，故通过低压差线性稳压器输出固定3.3V电压，倾斜监测采用BL-108 20度倾斜滚珠开关，接控制芯片GPIO口，当倾斜度数超过20度时，为通路状态，能够实现360度全方向倾斜触发。

5.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述钥匙终端控制芯片采用意法半导体公司设计的STM32F103C8T6芯片，该芯片内核为Cortex-M3，最高工作频率为72MHz，拥有最多80个IO接口、两个IIC接口、三个USART接口和两个SPI接口，能够满足设计需要，外部晶振为8MHz，采用SWD调试方式；所述NFC读写模块采用意法半导体公司设计的CR95HF-VMD5T芯片，采用SPI方式与控制芯片通信；所述语音模块采用SYN6288芯片，SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换。

6.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述存储模块分为FLASH存储芯片和EEPROM存储芯片，EEPROM用来存放易变信息，比如操作日志条数；FLASH用来存放权限和日志信息，FLASH采用W25Q32芯片；USB模块主要实现通过串口实现PC与控制芯片之间的通信。

7.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述无线通信设计中的NB-IoT模块负责井盖锁终端和应用服务器之间的通信问题，NB-IoT模块配置通过AT指令完成，主要包括初始化USIM卡，搜索网络信号、绑定IP地址、建立数据链接等；所述开关锁软件设计中的开关锁是由电机驱动机械结构实现的，锁体与钥匙设备之间通过NFC读写模式进行通信，采用ISO 15693标准协议，NFC技术由无线射频技术（RFID）发展而来，其技术的基本工作原理并不复杂，一般要经过侦测标签，读取标签和数据处理等。

8.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述低功耗方案设计采用STM32L051C8T6芯片作为智能井盖锁终端电路控制芯片，STM32L051系列是意法半导体公司推出的低功耗芯片，STOP模式下最大待机电流仅为0.8uA，并且3.5us即可被唤醒，在低功耗设计的思路上，采用的是终端无数据传输时，将除SWD调试接口外的所有IO设置成模拟输入模式，关闭所有外设的时钟，然后控制芯片进入STOP模式，唤醒采用RTC定时唤醒或外部中断唤醒，唤醒后重新配置要使用的IO和外设，发送数据；所述钥匙端软件设计通过对钥匙端主要进行校对权限实现开关锁，权限信息存储在FLASH芯片的Block0和Block1中，日志信息存储在Block2-Block62中，EEPROM用来存储日志和权限数量，电脑端通过串口助手可对钥匙的权限进行修改，以及将日志上传到电脑。

9.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网技术的智能井盖锁系统，其特征在于：所述云服务器应用层软件采用Java语言开发，工程由主流的Spring+Spring MVC+Mybatis框架搭建，软件接入百度地图，将每个智能锁安装的位置标注在地图上，鼠标点击标识点可以显示该智能锁的电量和网络信号信息，并且设置标识点颜色表示智能锁正常工作、电量不足和掉线三种状态，为了方便管理人员，应用层主要包括以下各模块：

1）授权中心：该模块负责添加钥匙设备，并对钥匙开锁进行授权；

2）站点管理：根据窖井的类型或者分布区域对井盖进行分类或分区管理，方便管理人员查看分管的井盖；

3）锁具中心：包含钥匙管理和智能锁管理两部分，主要负责对井盖锁和钥匙设备进行删除和重命名，以及显示钥匙授权信息；

4）消息中心：包括授权消息列表、设备信息和开关锁日志三种消息，授权消息列表主要包含授权钥匙设备、授权锁具、授权开始和结束时间，设备信息负责显示井盖的状态信息包括信号、电量是否倾斜等信息；开关锁信息是对每次开锁、关锁的时间和钥匙设备进行记录。

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