一种设备智能锁及智能门锁系统的制作方法
1.本发明涉及智能锁技术领域，具体涉及一种设备智能锁及智能门锁系统。
背景技术：
2.目前在智能锁通信架构普遍采用wifi、蓝牙、zigbee等通信技术和ipv4协议，其中智能门锁的无线通讯方案，大多数采用蓝牙、zigbee、wifi等。但是wifi功耗较大，导致充电的频率较高；蓝牙、zigbee仅限于近距离的传输；nb-iot功耗极低，传输距离也远，但是nb-iot由运行商运营，使用成本较高。
3.因此，亟需一种兼顾长距离传输和低功耗的智能锁。
技术实现要素：
4.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种设备智能锁及智能门锁系统，以解决现有技术中存在的现有智能锁难以兼顾长距离传输和低功耗的技术问题。
5.一种设备智能锁，其特征在于，包括控制器、电路装置、蜂鸣器、密码器、卡槽、指纹采集器、电机和电源，其中，所述控制器，内设有电路板，所述控制器分别与所述电路装置、所述蜂鸣器、所述密码器、所述卡槽、所述指纹采集器、以及所述电机之间电连接；所述电路装置，包括主控模块、rfid模块、lora模块、uwb模块，各模块之间通过电连接；所述卡槽，内设有电子标签；所述电源，用于供电。
6.在一个实施例中，所述电路装置还包括rtk模块，所述rtk模块与所述主控模块电连接。
7.一种智能门锁系统，包括，执行层，由多个设备智能锁组成；网络层，为lora的网关设备，连接执行层和服务层；服务层，包括采用通信连接的lora服务器和业务服务器，其中，所述lora服务器用于管理和对接lora底层网络，所述业务服务器包括采用通信连接的管理端服务器和用户端服务器；应用层，为可视化操作界面，所述可视化操作界面包括管理端界面和用户端界面，所述管理端界面基于所述管理端服务器搭建，所述用户端界面基于所述用户端服务器搭建。
8.在一个实施例中，所述执行层分为硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括控制器、lora通讯模块、键盘模块、蜂鸣器模块和直流电机模块；所述软件部分包括主程序模块和子程序模块，所述主程序模块用于初始化系统和设备注册，所述子程序模块用于执行指令和开关锁。
9.在一个实施例中，所述子程序模块包括执行指令模块和键盘密码开锁模块，所述执行指令模块与所述键盘密码开锁模块电连接，所述键盘密码开锁模块内包括设备智能锁的密码器。
10.在一个实施例中，所述网络层采用ipv6协议。
11.在一个实施例中，所述网关设备采用基于semtech sx1301芯片的ht-m01型号网关。
12.在一个实施例中，所述lora服务器为开源的物联网服务器，包括网络服务器和应用服务器，所述网络服务器用于订阅消息汇总和存储，所述应用服务器用于读取数据、提供数据接口。
13.在一个实施例中，所述应用层中的用户端界面内设有开关锁、紧急关锁、查询记录以及修改密码的命令执行按钮，各命令执行按钮通过不同的子线程与所述用户端服务器相连。
14.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
15.1.结合lora通信技术的优势和特点，将lora通信技术应用到设备智能锁上，从而实现了兼顾长距离传输和低功耗的效果。
16.2.智能门锁系统中采用具有lora通信技术的设备智能锁，并将系统划分为执行层、网络层、服务层、应用层4个部分，从而具有操作简便、成本低、功耗低以及通讯距离远等优点。
17.3.系统的网络层采用ipv6协议，安全性更高而且避免出现ipv4地址匮乏的局面，从而可以实现一个网关可以覆盖一栋仓库的监测区域，近200个设备智能锁节点的网络规模，设备智能锁内设有1000mah电池，1000mah电池可使用1.8年之久，满足低功耗、低延迟和安全性高的需求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
19.图1为一个实施例中一种设备智能锁的结构示意图；
20.图2为一个实施例中另一种设备智能锁的结构示意图；
21.图3为一个实施例中一种设备智能锁的电路结构图；
22.图4为一个实施例中一种智能门锁系统的总体架构图；
23.图5为一个实施例中执行层中的设备智能锁的硬件结构图；
24.图6为一个实施例中网络层中的网关结构图。
25.附图标记：
26.1-控制器，2-电路装置，3-蜂鸣器，4-密码器，5-卡槽，6-指纹采集器，7-电机，8-电源，9-第一壳体，10-第二壳体，11-延长杆，12-方杆；
27.a-执行层，b-网络层，c-服务层，d-应用层。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
29.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
30.在此对下述实施例中，提到的专业术语的含义进行解释。其中，uvision5为一种c
语言软件开发系统。zigbee，是基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议。nbiot，narrow band internet of things，为窄带物联网。lora，是lpwan通信技术的一种，为一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。rfid，射频识别技术。uwb，超宽带，一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。rtk(real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。udp是user datagram protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是osi，open system interconnection，开放式系统互联参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。ipv6是internet protocol version 6的缩写，其中internet protocol译为"互联网协议"，ipv6是为了解决ipv4所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提出了改进，例如路由方面、自动配置方面。android studio是谷歌推出的一个android集成开发工具。linearlayout又称作线性布局，是一种常用的布局。relativelayout，相对布局。http协议，超文本传送协议。mqtt协议，(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输)是ibm开发的一个即时通讯协议。packet_forwarder服务、lora-gateway-bridge服务、mosquitto消息代理服务器均为本领域技术人员所知晓的现有技术。button、textview、imageview、listview均为控件，为本领域技术人员所知晓的现有技术。
31.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种设备智能锁，包括控制器1、电路装置2、蜂鸣器3、密码器4、卡槽5、指纹采集器6、电机7和电源8，其中，控制器1，内设有电路板，控制器1分别与电路装置2、蜂鸣器3、密码器4、卡槽5、指纹采集器6、以及电机7之间电连接；电路装置2，包括主控模块、rfid模块、lora模块、uwb模块、rtk模块，rtk模块与主控模块电连接，各模块之间通过电连接；卡槽5，内设有电子标签；电源8，用于供电。具体地，指纹采集器6一般采用指纹传感器实现，卡槽5内设电子标签，通过rfid模块实现卡片读取识别，密码器为常见的可输入式密码器，输入键盘上、设有“#”、“*”、“0”“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”等输入按钮。
32.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种设备智能锁，该设备智能锁也可用于下述实施例中提到的系统中，用于新型仓库设备管理，包括锁体、电子标签定位装置及电源；锁体及定位装置均用于与设备可拆卸地连接，且位于装置内；电子标签与锁体连接；锁体包括壳体、电路板、电机；定位装置包括at89s51芯片、rfid模块、uwb模块、rtk模块、lora模块、电路板，芯片设置在电路板上用于实现控制和连接功能；电机容置于第一壳体内，且与延长杆11传动连接；延长杆11用于在电机的驱动作用下与方杆12抵持；指纹传感器6与第一壳体9连接；电路板容置于第二壳体10内，且电路板与指纹传感器及电机电连接。该设备智能锁结构简单，能够降低制作的成本，并缩短生产及安装的时间。具体地，锁体的电路板、定位装置的电路板都在电路装置2里面。其中方杆12为图中虚线框的部分，控制器1设置在方杆12内，电路装置12设置在延长杆11内，
33.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种设备智能锁的电路结构图，图中的控制器即为设备智能锁的整体控制器，at89s51芯片即为第一个实施例中的主控模块，uwb、rfid、lora、rte则分别对应uwb模块、rfid模块、lora模块、rtk模块，图中右下角部分电路即为蜂鸣器。
34.在一个实施例中，如图4所示，提供了一种智能门锁系统，系统由执行层、网络层、
服务层和应用层四部分组成；门锁终端(即设备智能锁)采用微控器为主控制器，在云服务器上部署lora服务器和java web应用实现系统的管理和控制。
35.执行层，由多个设备智能锁组成，选用的是设备智能锁的硬件部分，具体如图5所示，实现锁的各种功能。执行层分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括控制器、lora通讯模块、键盘模块、蜂鸣器模块和直流电机模块。软件部分包括主程序模块和子程序模块，主程序模块用于初始化系统和设备注册，子程序模块用于执行指令和开关锁。子程序模块包括执行指令模块和键盘密码开锁模块，执行指令模块与键盘密码开锁模块电连接，键盘密码开锁模块内包括设备智能锁的密码器。
36.具体地，执行层的设计分为硬件和软件两部分，硬件设计的关键是低功耗设计，核心是控制器的通讯协议的选择。本系统选用低功耗的stm32系列微控器和lora通讯协议。执行层硬件是基于嵌入式技术设计的门锁节点，如图5所示，由控制器、lora通讯模块、键盘模块、蜂鸣器模块和直流电机模块组成，其中控制器为采用lora通讯协议的stm32系列微控器，电机采用l298n型号。由于门锁必须采用电池供电，因此低功耗设计是系统设计的基本要求，通讯是整个系统降低功耗的关键。目前低功耗通信协议主要有蓝牙、wifi、zigbee、nbiot和lora等，lora与其他通信协议相比功耗低、传播距离远、安全性高并且免费，因此本系统选用lora通信协议。
37.执行层软件由uvision5进行开发，使用c语言编程。软件设计考虑低功耗设计，让控制器大部分时间处于休眠状态。软件的设计思路是主程序完成系统初始化和设备注册等功能后，打开中断后转入低功耗休眠状态，系统所有功能通过中断在中断服务程序中实现。主程序流程，主要完成系统初始化、mac初始化、设备入网和设备注册后进入到无限循环，在无限循环中将系统设置为低功耗休眠状态。这样系统如果没有中断产生，就一直处于休眠低功耗状态，实现最大限度的节能，当有中断事件发生后，执行中断服务程序，中断服务程序执行完后，系统重新进入低功耗状态。
38.子程序模块，主要包括两部分：指令执行模块和键盘密码开锁模块。执行指令模块：该模块功能通过设置每隔0.5秒产生定时器中断来实现。每隔0.5秒在定时器中断中启动智能锁节点设备上的lora接收机进行信道活动检测，检测空中是否有呼叫信号，lora接收机检测完成后产生caddetected中断信号，caddetected中断表示有数据接收了会触发进入接收模式。该中断信号接入微控器，产生外部中断，在中断服务程序中，实现执行指令的功能。在caddetected中断中，首先要清除定时器中断，然后将执行层设置为接收数据状态，接收应用层下发的指令，指令分为4种：”0”，”1”，”2”，或者是六位数字，分别对应开锁、关锁、紧急关锁(蜂鸣器响)和新密码。开锁功能执行后，如果与按键相连的cpu引脚为输出模式，则置为输入模式，恢复键盘功能，系统的执行结果发送给服务层后进入低功耗状态。
39.键盘密码开锁模块，基于设备智能锁中的密码器和蜂鸣器实现，键盘即密码器的输入键盘，键盘的“*”键接入微控器的外部中断，按下“*”键会触发外部中断，开启10s定时器，在10s的时间内，“#”键被按下则密码输入结束，若输入密码正确，执行开锁并发送锁状态给服务层，关闭定时器，程序返回。若输入密码错误，则蜂鸣器提示，定时器复位，用户可重新输入，如果错误次数大于5次，则键盘锁死(与按键相连的引脚改为输出模式)，用户不能再使用密码开锁，只能使用app开锁。在10s的时间内，“#”键未被按下，程序返回。
40.网络层，是lora的网关设备，实现执行层和服务层之间的数据通讯；网络层采用
ipv6协议。网关设备采用基于semtech sx1301芯片的ht-m01型号网关。
41.具体地，由于现有智能锁传输方案大多使用ipv4接入网络，安全性低且ip地址出现匮乏的局面，因此本方案选ipv6协议。网关开发选用ht-m01(为现有的网关型号)，基于semtech sx1301芯片。网关的功能是协议转换，实现lora协议和以太网协议的转换，用来连接智能锁节点和云服务器。网关结构如图6所示，网关将智能锁节点上传的数据通过packet_forwarder服务，使用udp发送到网关本地的1700端口上。lora-gateway-bridge服务使用udp从网关本地的1700端口接收packet_forwarder服务发送的数据，并解析成有效数据，将数据打包成json格式，打包完成之后，lora-gateway-bridge服务将打包数据使用mqtt协议从网关通过ipv6地址发布到云服务器中的mosquitto消息代理服务器，供服务层订阅。
42.服务层，包括采用通信连接的lora服务器和业务服务器，其中，lora服务器用于管理和对接lora底层网络，业务服务器包括采用通信连接的管理端服务器和用户端服务器。lora服务器为开源的物联网服务器，包括网络服务器和应用服务器，网络服务器用于订阅消息汇总和存储，应用服务器用于读取数据、提供数据接口。
43.具体地，服务层，运行在云服务器上，实现业务处理和设备管理；服务层一共包含两部分：lora服务器和业务服务器。lora服务器负责管理和对接lora底层网络，业务服务器实现整个系统管理和控制功能。业务服务器：用户开锁使用app简便快捷，而使用pc人员信息进行处理更加直观，因此业务服务器使用混合架构，包含两部分：一部分是管理端，基于b/s架构实现；前后端都部署在服务器。另一部分是用户端，基于c/s架构实现，通过手机app操作。lora服务器使用的是开源的物联网服务器，包含网络服务器和应用服务器两部分。网络服务器负责将订阅的信息汇总并存储在相应的数据库中，应用服务器通过grpc从网络服务器中读取数据，并对外提供http、mqtt之类的数据接口。mqtt是基于订阅/分布模式的一种轻量级物联网通信协议。部署lora服务器之前需要在云服务器上安装mqtt消息代理服务器、post-gresql数据库(存放长期数据)和redis数据库(存储短期数据或者临时数据)。安装完成之后在网络服务器和应用服务器的toml配置文件下修改数据库地址和用户名、密码，即可完成lora服务器的安装和配置。
44.应用层，为可视化操作界面，可视化操作界面包括管理端界面和用户端界面，管理端界面基于管理端服务器搭建，用户端界面基于用户端服务器搭建。应用层中的用户端界面内设有开关锁、紧急关锁、查询记录以及修改密码的命令执行按钮，各命令执行按钮通过不同的子线程与用户端服务器相连。
45.具体地，应用层负责与用户交互及数据的呈现，通过图片、文字等向用户展示目前设备智能锁的状态。应用层包括管理端和用户端两部分。管理端采用b/s架构，所有软件在服务端设计，用户只需浏览器即可使用。用户端基于服务层实现了安卓app。app的主要功能有开关锁、紧急关锁、查询记录、修改密码。为了刷新智能锁状态，app会每隔1s向服务层发送指令，来获取并更新当前锁的状态。app和服务器之间采用c/s架构，采用http协议进行通信。app使用androidstudio进行设计开发，界面层和业务逻辑层分开设计，属于不同的线程，主线程负责页面的描绘和切换，子线程负责http信和业务处理。app登录成功之后子线程连接服务器，通过http协议向服务器发送指令，接收服务器传来的门锁数据，将此数据发送给主线程，主线程根据此数据显示当前门锁的状态。人机界面设计使用xml进行ui设计，
ui设计(或称界面设计)是指对软件的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设计，也叫界面设计。其中，主页面采用linerlayout结合relativelayout进行布局，并采用button、textview、imageview、listview等控件展示数据并与用户进行交互。除listview外，其他控件的数据均通过静态加载方式加载，数据存放在资源文件里。listview用于显示一周内的开关锁记录，数据较多，采用动态加载方式加载数据，数据存放在数据库中。
46.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
