基于433 MHz无线模块和WiFi技术的智能锁系统

程知群，方书放，冯　骏

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

摘要：针对目前无线智能锁通信易受障碍物影响、不支持移动终端控制、监控难度大等缺点，提出一种基于433 MHz无线模块和WiFi技术的智能锁系统。系统通过串口将刷卡信息传给433 MHz无线模块，无线模块将数据信息传给集中器，经集中器转换，数据信息以WiFi信号发送出去。上位机监控开门动作，并支持查询刷卡信息、控制智能锁等功能。

关键词：433 MHz频段；WiFi技术；无线模块；终端

DOI: 10.13954/j.cnki.hdu.2015.01.002

基于433 MHz无线模块和WiFi技术的智能锁系统

程知群，方书放，冯骏

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

摘要：针对目前无线智能锁通信易受障碍物影响、不支持移动终端控制、监控难度大等缺点，提出一种基于433 MHz无线模块和WiFi技术的智能锁系统。系统通过串口将刷卡信息传给433 MHz无线模块，无线模块将数据信息传给集中器，经集中器转换，数据信息以WiFi信号发送出去。上位机监控开门动作，并支持查询刷卡信息、控制智能锁等功能。

关键词：433 MHz频段；WiFi技术；无线模块；终端

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.01.002

收稿日期：2014-06-05

作者简介：程知群(1964-)，男，安徽巢湖人，教授，射频电路与系统.

中图分类号：TN915.03

文献标识码：：A

文章编号：：1001-9146(2015)01-0010-04

Abstract:An intelligent lock system based on 433 MHz band wireless module and WiFi technology is proposed in order to overcome the drawbacks in the communication of the existent intelligent lock system such as susceptible to barriers， holding no brief for mobile terminals and hard to be monitored. In this system， the card message is send from serial port to 433 MHz band wireless module， and then to the concentrator in which it is transmitted to the message of WiFi to send out. Terminal with the function of checking and querying card information is used to monitor and show the message.

0引言

无线网络技术的飞速发展给人们的日常生活带来了翻天覆地的变化，为人们提供了更加舒适、灵活、便利的办公和居住环境[1]。WiFi作为无线网络技术之一，其主要优点是分布范围广、传输速度快、硬件嵌入技术成熟；其主要缺点是传输过程中信号易衰减，功耗高且易受障碍物影响等[2]。433 MHz频段无线模块的显著优势是信号穿透能力强、抗衰减能力好、功耗低；但其缺点是传输速度慢，一般只适用于数据量较小的应用场景。为满足智能锁的低功耗要求，选用433 MHz频段技术；而为了实现移动终端远程控制，故采用WiFi技术。本文结合433 MHz频段和WiFi技术的优势，既实现了设备低功耗，又实现了稳定可靠的数据传输并支持移动终端远程控制功能。

1系统设计

系统体系结构图如图1所示，将智能锁里的433 MHz无线模块设为终端节点，这些节点与集中器通信，集中器与路由器相连，路由器经网关与PC、移动终端进行通信，组成局域网。现场选用无线路由器作为中心设备，一方面连接集中器，另一方面连接PC和移动终端，以实现远程监控的目的。终端节点以无线方式将刷卡信息传给集中器，经路由器转发，PC客户端收到相应数据。为方便状态信息的识别，每个433 MHz无线模块节点有一个唯一的标志(短地址)，通过该短地址标识门锁的具体位置。上位机对接收到的信息进行分析和处理，并在监控界面上显示刷卡人姓名，联系方式，刷卡时间及相应的房间号，同时将刷卡信息存入数据库，供相关人员查看使用。

图1　系统体系结构

2无线智能锁系统硬件详细设计

本系统的硬件设计主要包括433 MHz无线通信模块和集中器。433转WiFi无线通信接口模块采用的是433转UART，UART转WiFi的方式，而UART转WiFi已属于集成的已开发完全的用户级产品，这部分只做简单介绍，重点介绍基于433 MHz频段的无线模块硬件的详细设计。

2.1　基于433 MHz频段的无线模块详细设计

2.1.1单片机MCU与射频芯片CC1101间的接口设计

基于433 MHz频段的无线模块由STM8S003K3T6C单片机与射频芯片CC1101组成，之间采用SPI接口通信，STM单片机的SPI设置为主模式，芯片CC1101的SPI接口处于从模式，此模块的用户访问接口为UART接口[3]。模块硬件组成图如图2所示。

图2　433 MHz无线模块系统框图

2.1.2433 MHz无线模块的频率设置

(1)

式中，fc为载波频率，fx为晶振频率(26 MHz)，Freq是由寄存器FREQ2、FREQ1和FREQ0寄存器中的24位频率字决定的基本频率，Chspc_M、Chspc_E和Chan分别是通过寄存器MDMCFG0.CHANSPC_M、CFG1.CHANSPC_E和8位信道数量寄存器CHANNR.CHAN来设置的。为避免邻频干扰，减少频率偏移的影响，设置500 kHz的信道滤波带宽，使用1 MHz的信道间隔。系统中，使用333 kHz信道间隔，并选择所有CHANNR_CHAN的第3条信道这种方法来获得1 MHz的信道间隔。因此，可通过给定fc来确定Freq的值，如fc=434 MHz时，Freq=0x16EFB。实际应用中，为了避免信号间干扰，不同局域网里的无线模块采用不同的频率点通信，通过式(1)来计算Freq，从而设置相应寄存器的值。

2.2　UART转WiFi

选用USR-WIFI232-B作为串口转WiFi模块，由于此模块为已开发完全的用户级产品，本文只介绍USR-WIFI232-B无线模块的工作特点。

2.2.1组网模式

USR-WIFI232-B的无线模块支持AP、STA、AP+STA功能。本系统中，将USR-WiFi232-B配置成AP+STA模式，锁里面的无线模块作为STA与该模块相连，同时通过该模块与PC客户端、移动终端进行可靠通信[5]。具体连接方式如图3所示。

图3　组网模型

2.2.2安全机制及网络协议

USR-WIFI232-X模块支持多种类型的无线加密方式，如WEP、WPA-PSK/TKIP、WPA-PSK/AES、WPA2-PSK/TKIP、WPA2-PSK/AES。本系统中，采用WAP-PSK/AES无线网络加密方式。USR-WiFi232-X模块支持TCP/UDP无线通信协议，USR-WiFi232-X网络端接口既可工作在服务器模式下，也可工作于客户端模式，用户可通过Web或串口发送AT+命令这两种方式进行模式选择[6]。

3智能锁系统软件详细设计

3.1　数据格式的定义

433 MHz无线模块与集中器间通过自定义的一套协议进行通信，信息传递过程中数据及命令帧格式如图4所示(其中B表示字节Byte)，其中校验位的计算方法是从帧头到校验位前一位的算术和对256的余数。

3.2　433 MHz无线模块软件设计

433 MHz无线模块经过一系列初始化之后，可以与某个集中器进行连接，通过集中器与外部PC、移动终端进行通信[7]。具体流程图如图5所示。

图5　433 MHz无线通信模块软件设计流程图

3.3　上位机后台监控软件的设计

使用C#设计PC客户端综合操作平台，其主要负责对刷卡动作的实时监控，完成对刷卡信息的处理，实现信息的综合管理[8]。其主要功能包括：

1)实时显示刷卡人姓名、联系方式，刷卡时间及相应房间号等信息，并支持查找功能；

2)支持射频IC卡的注册和注销功能；

3)支持短信通知功能。启用短信通知功能，门禁锁被操作时，指定用户会收到短信通知。

4433 MHz无线模块与集中器模块间通信测试

对于无线传输，用户最关心传输距离的远近与数据传输的可靠性。根据实际测试，在室内(一栋教学楼过道里，有一堵实墙相隔，下同)环境下，在发射功率为最大值10 dBm时，实测传输距离可达30 m。下面通过计算进行理论分析。

Pt=Pr-Gt-Gr+Bt+M+Ld

(2)

Ld=32.4+20lgd+20lgf

(3)

式中，Pt、Pr、Gt、Gr、Bt、M、Ld分别表示发射功率、接受功率、发射增益、接受增益、导波损耗、衰减储备、自由空间损耗，单位均为标准单位，d、f分别表示传输距离(km)和工作频率(MHz)。

Bt、M通常取6 dB，本文使用的天线发射和接收增益均为5 dBi，模块最小接收功率为-47 dBm，由式(2)计算可知，在发射功率为最大值10 dBm时，Ld=54.6 dB。根据式(3)，在f=433 MHz时，算得d=28.7 m，故实测值与理论值相当。为测得系统误码率，将模块的发射功率置为10 dBm，传输速率置为100 kbps，传输34 Byte的数据包，测试环境为室内。通过终端模块发送，集中器接收的方式算出误码率，通过测试不同距离的误码率来衡量模块实际可靠的通信距离。经多次测量，平均结果如表1所示。经分析测试结果可知，在室内环境下通讯距离在20 m以内，数据可实现稳定、可靠传输。

表1　数据误码率测试结果

5结束语

以433 MHz无线模块、集中器为核心的无线智能锁系统，一方面它满足了智能锁低功耗的需求，克服了障碍物对信号的阻碍；另一方面它实现了终端远程控制功能。智能锁监控系统界面友好、人机交互方便可靠、易于观察控制。软件上的易操作、友好性和硬件上的稳定可靠性使得本无线智能锁系统具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]彭华，何军.WiFi技术在家庭无线网络中的应用研究[J].技术与市场，2010，17(5)：15-17.

[2]Henna S. A throughput analysis of TCP variants in mobile wireless networks[C]//Next Generation Mobile Applications， Services and Technologies， 2009. NGMAST’09. Third International Conference on. IEEE，2009:279-284.

[3]蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012:282-334.

[4]Texas Instruments.CC1101 Low-Cost Low-Power Sub-1GHz RF Transceiver Datasheet[EB/OL].[2013-11-05].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/191432/TI/CC1101.html.

[5]张健.集成WIFI电路的无线AP设备设计[D].南京：南京理工大学，2014:21-42.

[6]Carrell J L， Chappell L A，Tittel E， et al.TCP/IP协议原理与应用(第四版)[M].金名，译.北京：清华大学出版社，2014:203-334.

[7]杨群.基于WIFI热点技术的即时P2P语音通信系统的研究与设计[D].武汉：华中师范大学，2014:33-45.

[8]Watson K， Nagel C.C#入门经典[M].齐立波，译.北京：清华大学出版社，2006:151-204.

Intelligent Lock System Based on 433 MHz Band

Wireless Module and WiFi Technology

Cheng Zhiqun， Fang Shufang， Feng Jun

(KeyLab.ofRFCircuitandSystem，MinistryofEducation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Key words: 433 MHz frequency; WiFi technology; wireless module; terminal