基于WEB与UWB混合通信网络的智能家居门锁系统设计

于兰兰，董秋杰，董 硕，葛海燕，张厚升

(1. 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2. 国网山东省滨州市滨城区供电公司，山东 滨州 256000)

基于WEB与UWB混合通信网络的智能家居门锁系统设计

于兰兰1，董秋杰1，董 硕2，葛海燕1，张厚升1

(1. 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2. 国网山东省滨州市滨城区供电公司，山东 滨州 256000)

基于模块化设计思想，以ARM处理器芯片为主控核心，构建智能家居门锁控制系统.将基于WEB的远程控制与基于UWB的近距离无线通信控制相结合，提出一种混合式的网络构建模式，并针对UWB传输距离较短的问题，采取最小二乘法对其定位算法进行优化处理，利用MATLAB进行了仿真验证，优化精确率达到88%，为智能家居的构建提供了一种新模式.

智能家居门锁；混合通信；WEB；UWB；最小二乘法

现代快节奏的生活下，人们出门忘记带钥匙的事情经常发生，构建一个舒适、便利、高效的智能家居环境已成为现代人们追求的新方向.本文以此为研发背景，设计了基于ARM处理器芯片[1-2]的智能门锁控制系统.系统使用STM32板为控制核心，主要由STM32主控模块、远程控制模块、近距离无线通信模块、门开关检测模块、扩展模块五部分组成.其中，远程控制与近距离无线通信相结合的混合网络通信模块是系统实现的一个重要方面.系统采用基于WEB为核心的远程控制，实现对智能家电的远程遥控；通过定位优化的UWB近距离通信实现门锁状态的检测与控制.在系统整体设计上采用模块化设计，极大地减少了资源浪费.

1 智能家居门锁系统

智能门锁控制系统由ARM主控模块、远程控制模块、近距离无线通信模块、门开关检测模块、扩展模块五部分组成，系统结构图如图1所示.其中，ARM主控模块是整个系统的控制核心，主要是与各从设备进行信息交流，同时将各从设备传递上来的数据进行分析处理，与存储器中的预存信息进行比较，最终控制门锁的开关.本设计使用广州星翼电子科技有限公司生产的STM32F103ZET6处理器[3]为控制核心，它是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用板.

图1 系统结构图Fig.1 the diagram of system structure

门开关状态检测模块主要由滑动变阻器组成，实现检测门锁开关状态的功能[4].锁上时，锁舌带动滑动变阻器改变阻值，假设设定滑动变阻器阻值在1-5Ω范围内为门开状态，超过5Ω为门关状态.当单片机收到检测门锁开关状态信号时，检测电阻的阻值大小即可判断相应的门锁开关状态.这样就可以在尽量不改变锁的原有结构下，实现由普通门锁到智能门锁的改装.

扩展模块主要是针对特殊用户开发设计的模块，其作用是在主控制器控制下完成某种特殊工作.例如，李海龙等提出指纹电子门锁的设计[5]，以专门服务于对于电脑等科技产品了解甚少的老年人，可以设计指纹检测模块，然后将其连接到主控制系统上，实现通过指纹来开关门的功能.此外，还可以根据用户需要开发各种特殊用途的模块[6].

2 混合通信网络构建

将基于WEB的远程控制与基于UWB的近距离无线通信控制相结合，提出一种混合式的通信网络构建模式.其中，远程控制模块可以使系统与用户进行远程通信，使用户无论身处何地，都可以实时的监控智能家电的运行状态.

目前有多种远程通信技术得到发展，如基于移动通信网络技术的GPRS、GSM、CDMA等技术[7-8]，但是此类系统需配备一张中国移动的SIM卡，使系统在工作时产生通信费用，使用的成本较高.WEB服务具有灵活性、可跨平台性，能智能化识别用户的身份以及与用户有关的安全信息，因此具有很高的安全性能.现代家庭中路由器应用已经非常普遍，WEB远程网络的构建就是以家庭路由器为依托，所以不会产生通讯等费用.其结构图如图2所示.

图2 WEB远程通信系统结构图Fig.2 The structure of WEB remote communication system

智能门锁WEB服务器系统，主要由WEB服务器和保存智能门锁状态的数据库服务器组成.当收到远程控制端发来的调取命令时，WEB服务器系统将数据信息发送给远程控制端；远程控制端通过输入WEB服务器端的IP地址对其进行访问与远程遥控.基于王君博士提出的由VC++6.0 SOCKET编程的WEB设计方案[9]，开发设计了基于智能门锁的WEB平台.当需要进行远程控制时，首先在服务器IP地址中输入WEB服务端的IP地址.地址检验无误后，操作检测与控制面板，输入通信密码，若密码错误，则不执行任何操作；若密码正确，则STM32控制系统对门锁开关状态进行检测.需要开关门时，按下“开门”或“关门”按钮，控制系统就会将命令发送到STM32主控系统，由其控制执行相应操作.

目前常用的无线通信有Bluetooth、IEEE802.11a、UWB等方式.其中，UWB[10]与其他无线通信方式相比，具有抗干扰性强、传输速率高、消耗电能少、保密性好等优势，UWB本身的带宽很宽，在接入上一级网络的同时，还可以作为下一级网络的网关，从而可以拓宽传输距离.同时，UWB发射功率小，其发射功率谱密度对于其他通信功率来说相当于噪声，因此大大减小了不同通信方式之间的干扰，降低了截获率.

3 UWB定位算法优化处理

UWB技术虽然在近距离传输方面具有较大的优势，但其传输距离较短，一般在10m左右.因此，在使用中需要进行多个UWB设备的拓展，也就是UWB定位.最常用的是基于到达时间的TOA定位算法[11]，此算法利用主从机的发送数据延时来计算距离.

假设无线电传输速度为υ，主从机之间信息传输时间为t，那么两者之间距离L为

L=υ×t

(1)

由此，从机安装位置一定要在以主机为圆心，以L为半径的圆周内，如果再以此从机为主机安装，则根据这种计算方法得出最佳安装位置，以此类推在实际情况下，由于存在非视距、多径、衍射、反射、码间串扰等多种干扰因素的影响，利用式(1)计算的距离存在很大的误差，因此需要选用其他方法进行建模求解，对UWB算法优化处理.

本文选用最小二乘法，它具有很好的无偏性、有效性、一致性和易于设计与建模，其表达式为

(2)

式中：yi为可观测的随机变量；ti为可观测的独立变量；ei为不可观测的误差变量；a和b为待估参数.

(3)

(4)

(5)

假设有1000组设备需要安装，利用MATLAB实验平台对基于最小二乘法的UWB定位算法进行仿真验证，数据模拟如图3所示.

(a)真实数据输入

(b)真实数据处理输出图3 模拟数据集处理Fig.3 Analog data set processing

由图3可以看出，无论模拟数据输入还是模拟数据处理输出都是连续数据，以此来模拟主从机数据传输情况.通过MATLAB仿真平台进行参数估计，其离散时间模型如式(6).

A(z)y(t)=B(z)u(t)+e(t)

(6)

式中：A(z)=1-1.274z-1+0.3935z-2；B(z)=0.06662z-3+0.04448z-4；采样时间为0.08s.测量输出与模拟输出的比较如图4所示.由图4(b)可以看出，模拟输出与真实输出的吻合度达到88.88%.由图4(a)可知，其吻合度只有34.97%.因此，应用最小二乘法所求模型可以大大提高输出结果的吻合度.

(a)优化处理前

(b)优化处理后图4 测量输出与模拟输出比较Fig.4 The comparison of the measurement cutput and the analog output

4 结束语

本设计采用远程控制的WEB与近距离无线通信控制的UWB相结合的混合通讯模式，为智能家居门锁系统的构建提供了有利支撑.一方面，利用不易被截获的UWB近距离传输控制启动密码的安全输入，并结合远距离控制的WEB通信方式进行通信用户的身份识别，提高了系统的安全性能；另一方面，利用此混合通信模式，可安全有效地实现开关门操作的远程遥控；最后，针对UWB传输距离较短的问题，采取最小二乘法对其定位算法进行优化处理，大大提高了其定位精度.

由于硬件条件的限制，采用DC12V直流无刷电机代替步进电机，并通过转接板与STM32板相连.将已开发的上位机通过路由器与WEB远程控制相连接，IO检测与滑动变阻器相连，获取开关门的锁舌运动状态.经过模拟仿真验证，系统运行情况良好.

[1]王宇行. ARM程序分析与设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2008.

[2]孟艳,赵宏伟,邹育霖. 基于ARM的开关柜智能监控装置研究[J]. 高压电器，2014, 50(3):29-35.

[3]刘火良,杨森. STM32库开发实战指南[M]. 北京: 机械工业出版社,2013.6.

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[5]李海龙,吴庆立,郑惠之.指纹电子门锁控制系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2010(1):46-47.

[6]王溢琴,王秀华.基于ARM-Linux的智能门锁系统设计[J].太原师范学院学报(自然科学版)，2013(4):97-100.

[7]丁明石,吕扬生.采用移动通信技术的远程医疗研究进展[J].医疗设备信息，2003(12):29-32.

[8]尹占芳,吕文红,郭银景,等.基于CDMA的移动医疗系统的研制[J].医疗设备信息，2002(2):4-7.

[9]王君.基于模糊控制策略的温室远程智能控制系统的研究[D].长春:吉林大学，2015.

[10]张思瑶.超宽带(UWB)无线通信技术研究[J].无线互联科技，2015(7):24-25.

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DesignofasmarthomedoorlocksystembasedonWEBandUWBhybridcommunicationnetwork

YU Lan-lan1, DONG Qiu-jie1, DONG Shuo2, GE Hai-yan1, ZHANG Hou-sheng1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. State Grid Shandong Bincheng District Power Supply Bureau, Binzhou 256000, China)

Based on the modular design idea, with ARM processor chip as the main control core, the control system of the smart home door lock is constructed. Among them, the construction of the communication network is an important aspect of the realization of the modern smart home. Based on the combination of WEB based remote control and UWB based near distance wireless communication control, a hybrid network construction mode is proposed. At the same time, aiming at the problem of short transmission distance of UWB, the least square method is adopted to optimize the positioning algorithm. The simulation results of MATLAB software are used to verify the algorithm, and the accuracy rate is 88%， which provides a new model for the construction of smart home.

smart home door lock; hybrid communication; WEB; UWB; least square method

2016-09-26

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2014DX009)； 山东理工大学综合课程改革资助项目(115061、114129)

于兰兰，女，yulanlan124@163.com;

董秋杰，男，yll521gq@163.com

1672-6197(2018)01-0031-04

TV273.5

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(编辑：刘宝江)