基于BLE Mesh的工业群联锁系统的设计

张超

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

0 引言

随着工业的快速发展、工厂中所需要的柜体管理需求日益增多，具有电表箱、计量柜、设备机柜，安全柜等常见柜体管理的工业环境日益增加，通常分布在工厂的不同楼层与区域，传统机械锁和机械钥匙由于需要佩戴多把钥匙。锁体状态不能及时上报，同时不能实现管理者远程给工作人员开锁等问题。针对这样的问题，本文设计了一种基于蓝牙 Mesh组网的工业群联锁系统。在工业环境中，柜体分布相对比较集中，为了实现远程开关锁，实时监测锁具的开关状态。本系统采用了BLE Mesh组网的方式，将群连锁，管理人员APP，云平台等组成一个BLE Mesh组网的系统。最后数据会发送到服务器后台，从而实现整个系统的智能化管理。手机APP发送开锁关锁的消息，不需要直接近距离的发送命令，锁体接收到开关锁命令会执行相应操作。所有群连锁每5分钟通过消息中继（relay）的方式向云平台发送一次锁体状态。如果锁体被强行破坏，会触发震动传感器的数据报警，上传震动数据到服务器后台。利用BLE Mesh网络实现低功耗、长距离通信，将终端设备采集的数据传输到云服务器。在云服务器进行集中管理，监测锁体安全的运行状态。最终实现一种低功耗、长距离的锁体安全监测系统，能够很好地和现有的锁体的实时监测系统一起运行，保证柜体锁具系统的稳定安全运行。

1 无线传输方式的比较

在现在的日常生活中，我们用到的无线通信方式有很多，目前常见的方式有WiFi，Zigbee、4G、NFC等。WiFi的优点就是覆盖面比较广，传输数据的速度也是比较快的，但是在工业环境中，我们设计的小型化智能设备一般需要考虑到产品的功耗，WiFi的功耗一般都是比较大的。同时技术也是比较复杂的。Zigbee技术也是现在比较成熟的一种通信技术，同时功耗也是比较低，复杂性也是比较简单，但是我们常用的移动端的设备比如平板，手机，电脑是不具备Zigbee功能的，给我们的工作使用的带来的很大的局限性，限制了Zigbee在工业日常上的使用。NFC通信具有速度快，安全性高的特点，但是NFC常用的日常使用场景在近场的移动支付，信息识别上，通信的距离一般是厘米级别之内，不适用于较远距离的控制。4G技术也是我们现在离不开的通信技术之一。但是4G技术需要背后的运营商的流量支持，导致日常使用成本较高。综合考虑蓝牙技术比较适用于我们的工业群联锁的使用场景，蓝牙是我们现在生活中离不开的日常的通信方式，蓝牙耳机，鼠标，键盘等已经成为我们生活的必需品，BLE Mesh技术，弥补蓝牙通信距离只有十几米的缺陷，然后通过节点上信息中继的方式，将接收到的信息发送给自己周边的节点设备，扩大了蓝牙通信的距离，实现了较远距离的通信控制。同时BLE Mesh的组网方式，在任何一个节点设备损坏的情况下，不影响其他设备的正常通信，提高了组网的稳定性，同时日常我们的移动设备具有蓝牙功能了，我们可以通过移动端的设备来发送数据，来控制设备的功能转换，实综上所述，在本系统中使用BLE Mesh组网的技术来实现工业群联锁的设计。

2 蓝牙组网方案

2.1 BLE Mesh组网方案分析

2017年蓝牙技术联盟发布了MESH1.0的蓝牙组网技术，与之前的蓝牙BR/EDR和低功耗蓝牙不同的是，该组网方案打破了以往蓝牙技术一对一的，和一对多的连接方案。通过Mesh网络的relay（中继）的功能去实现一个多对多的通信方式，如图1在BLE Mesh网络中，每一个蓝牙设备都是网络中的一个节点，通过广播的方式发送消息，无需连接，这样就能实现消息的发送与传播，消息通过多次中继的方式最终到达具有目的地址的节点，每个节点都具有特定的地址，从而实现将消息发送给目标节点蓝牙设备。同时如果某个节点出现了故障损坏，整个Mesh组网的其他节点的通信是不受到干扰的，极大程度地提高了整个网络的鲁棒性，通过这样的方式，突破了之前蓝牙因为距离传输问题所带来的不便性，实现了蓝牙的远距离的通信方式。

图1 BLE Mesh组网结构图

2.2 群联锁Mesh系统的设计

为了适用于工业环境，我们需要在BLE Mesh的基础上设计出适用于本系统的BLE Mesh组网系统，BLE Mesh中的节点特性比较丰富，为了实现多样的功能，BLE Mesh提供了四种节点配置特性，分别是低功耗特性节点，friend特性节点跟中继特性和代理特性，四种特性如表1所示。

表1 BLE Mesh组网中节点的四种特性

本系统中群连锁采用中继特性，每个区域范围内安装一台代理特性设备来与手机信息交互。管理员手机中安装群连锁控制终端APP,发相应的命令控制特定群连锁工作，和进行入网配置和进行群联锁具的分组处理等操作，在Mesh组网系统中，靠近手机的代理特性节点实现了与手机信息交互的作用。它会将手机发送的消息传输到Mesh组网中，使消息能够在Mesh组网中继到相应节点，产生开关锁的动作，同时群连锁每隔二十分钟也会自动上报自己的锁状态数据到代理特性节点，最终发送到手机和服务器，从而实现远距离了解柜体开关锁的状态，防止出现安全事故。

图2 群连锁系统总体框架

2.3 组网的过程

在BLE Mesh组网的一开始，我们需要将所有的节点添加到我们的Mesh组网中去，这样就能够实现我们群联锁的设备添加，在整个群联锁BLE Mesh中，所有的device必须成为网络中的节点才能够跟整个网络中的其他节点通信，如果某一个群连锁的设备没有跟其他的设备进行组网，其发送的广播数据不会被周围其他节点的蓝牙设备接收。建立群连锁自动组网的过程，需要我们使用安装手机控制端的APP来进行入网连接，手机打开自己设备上的蓝牙，对周围的设备进行扫描。首先在扫描之前，设备会发起广播，发起的广播与常见的蓝牙广播类型不同，设备（ Device）可采用<

图3 设备组网的过程流程图

2.4 BLE Mesh的通信协议

为了实现BLE Mesh的开关锁的控制，我们需要设计一套通信协议，因为在本群连锁Mesh系统中，我们只涉及控制开关锁的命令和群联锁上报锁状位和震动破坏警告，所以通信的命令数据包相对比较简单，为了实现群连锁的开关等功能，同时满足Mesh组网的通信要求，我们设计了如下的数据包格式来实现整个系统的通信。在数据包一开始读取时我们需要先进行数据匹配，才会进行数据的读取，每个节点在接收到数据后会先读取网络密钥的值，如果网络密钥的值跟自己存储的值一样，才会进行后面的数据包读取，设备标识是为了区分节点特性，前面我们在整个系统中设置了两种节点特性，我们用0X01和0X02分别代表这两种设备标识，同时数据包里面会包含数据的发送节点跟接收节点。每个节点接收到数据后，会对比自己的物理地址，如果不是自己的地址，就会把消息中继给周围的节点，最终到达目标节点。数据包格式如表2所示。

表2 消息数据包格式

3 系统终端硬件设计

图4 主控的最小系统电路图

图5 群联锁硬件系统结构图

群连锁主控我们采用的是国产蓝牙SOC 富芮坤公司研发的FR8016HA芯片， FR8016集成 32 位 ARM Cortex-3内核、Flash容量为4Mbits，其主要配置信息包括了：支持蓝牙 5.0 LE，支持 2M, 1M, 500K, 125K 数据速率；处理器具有12～48MHz；在满足正常使用的情况下，同时能实现不同应用场景下的主频切换，FR8016H支持蓝牙5.0协议栈，同时满足向下兼容，同时具备蓝牙Mesh组网的协议栈，能够将每个蓝牙设备变成组网的节点角色，在主控的外围电路中，我们设计了电机驱动模块来驱动开关锁，电机驱动芯片我们选用了L9110S电机驱动芯片，这要给motora A和motora B两个电机脚分别输入高低电平，就能实现电机的正反转，从而实现开关锁。

图6 锁具开关状态检测模块设计

图7 震动传感器原图

为了实现对锁具的状态实时检测，从而及时发现忘关锁的工作事故，本文设计一种锁具状态检电路，当锁舌闭合时，锁舌上的磁铁位于关锁状态位1号霍尔传感器的位置上，从而单片机soc读取连接IO口的电平变化，读取值为0，此时锁具上报数据给服务器，显示关锁状态正常，同时锁具处于开锁状态位2号霍尔传感器上时，同理相应读取开锁状态位IO口数据就为0，当非0-1，1-0等关锁跟开锁的状态时 候，都是锁具状态异常的时候，这是服务器就会提醒管理人员去现场进行查看，从而其实处理这件事情。从而实现了锁具安全的实时监控和管理。

同时为了防止人为破坏柜体结构，我们在群连锁上加了一个6轴陀螺仪/加速度传感器，是实现震动传感器报警的功能，该芯片采用I2C总线通信的方式与主控连接。来体提供震动报警数据。主控接收到异常震动数据就会将数据上报给服务器后台，实现有效的安全监控。

4 结束语

通过BLE Mesh组网的技术，很好地解决了蓝牙控制的距离较短的问题。实现了远程开关锁和消息上报，实现了很好的监测作用，如果发生故障，实时提醒管理人员，具有很好的应用场景和使用价值。