基于物联网的远程控制系统智能电子锁
摘要： 随着智能家居系统的飞速发展，智能电子锁引起了人们的广泛关注。本文基于窄带物联网（NB-IoT），提出了一种新颖的远程控制系统智能电子锁，它具有链接强，覆盖范围广，功耗低的优点。 智能电子锁由射频识别（RFID）模块，NB-IoT模块，电子锁和微控制器组成。 在系统中，非接触式终端通过串行端口将身份信息发送到控制板。 通过NB-IoT传输，可以将来自控制板的实时身份信息上传到云服务平台，并将确认信息下载到控制板。 智能电子锁具有身份识别和状态监视功能，适用于公共和家庭应用。
1.简介
过去，人们不得不携带一堆钥匙。这些密钥面临着丢失，甚至容易复制的风险。尽管在过去的几十年中，城市化水平和犯罪活动的频率有所增加，但这种老式的钥匙锁系统仍在当今的警卫系统中得到广泛使用，并给安全性和效率带来挑战。
近年来，随着现代经济建设和管理的发展，一些酒店，办公楼，智能建筑，政府机构，企事业单位正在对访问控制系统的要求有了进一步的提高。然而，正如[1]所担心的那样，锁会被攻击。因此，产生了一种新型的锁：智能电子锁。锁的核心需求是智能管理和状态监视。随着感应卡的发展和生物识别技术的发展，电子锁有了长足的发展，进入了成熟期。使用感应卡，指纹，虹膜识别和面部识别的智能锁具有独特性，并且在安全性，便利性，可管理性等方面高度复杂。其中，如在[2]中介绍的那样，使用RFID技术的电子锁在实现节能方面取得了突破。高效，低成本的标签数据采集。 RFID可用于货物管理，防盗和预付卡应用。因此，RFID被用作智能电子锁中的访问控制。
如[3]所示，纳米半导体制造的进步打开了物联网（IoT）的时代。 毋庸置疑，IoT的概念已经渗透到我们日常生活的方方面面，例如医疗保健，交通运输，食品工业等。此外，随着人们的发展，保护人们生命和财产安全的安全系统正在发生迅速的变化。但是，与物联网相关的安全系统仍需要进一步研究，并在稳定性和安全性方面亟待改进。
2.相关工作
如今，有几种先进的智能电子锁。例如，在[4]中提出了一种称为“ E-Zip”的安全系统电子锁。 E-Zip利用蓝牙的优势。蓝牙是一种广泛使用的设备配对技术。仅当通过蓝牙完成配对时，信息才会传输。蓝牙很方便，使用它的设备可以轻松地与用户的手机连接。但是，仅在设备之间的距离很短（通常在一米甚至更短的距离内）时才建立连接。
文献[5]中介绍了另一种典型的智能电子锁。它使用Wi-Fi作为无线通信技术。它允许人们连接和控制局域网（LAN）内的锁。但是，Wi-Fi具有安全性低和网络功能差等缺点。 Wi-Fi只允许16个设备在LAN内同时访问网络。联网能力差会阻止Wi-Fi的发展，因为IoT网络通常包含数百甚至数千个节点。
根据相关研究，迫切需要找到一种更加牢固稳定的智能电子锁，以降低功耗，并且重要的是节省成本。基于[6]中介绍的描述，提出了一种全新的通信技术：NB-IoT。 NB-IoT是一种新颖的窄带蜂窝通信LPWAN技术。具有NBIoT的智能电子锁可以解决以下特征的问题：链接牢固，覆盖范围广，功耗低，成本低。另外，NB-IoT不再具有QoS（服务质量）的概念，因为NB-IoT并不像实时IMS一样传输对延迟敏感的数据包。
3.系统描述
开发一种新型的远程控制系统智能电子锁，将传统的机械锁与NB-IoT技术相结合。 如图1所示，智能电子锁与智能设备之间的通信是通过NB-IoT建立的。当将有关乘客的ID号码和当前时间的消息打包发送到云服务器时，服务器会检查该号码是否已预先授权。确认后，服务器将通过NB-IoT将确认消息发送到控制板。同时，用户可以通过智能设备访问服务器以监视锁的状态并检查进入时间和乘客ID。
3.1. 智能识别
智能电子锁由控制模块，RFID模块，电子锁和NB-IoT模块组成，实现智能识别。 当RFID模块的读取器感测到ID卡的信号时，它将ID卡的身份发送到控制模块，这意味着存在解锁请求。 然后，消息将通过NB-IoT从控制模块传输到云服务器。 如果身份之前已被授权，则服务器将身份信息与当前数据库进行比较。 服务器将通过NB-IoT模块将“支持开放”信号发送回控制模块。 如果身份是非法的，它将发送“不支持开放”信息。 一旦控制模块接收到该信号，它将响应或不立即响应。 智能电子锁的结构图如图2所示。
3.2.远程监控
用户可以通过连接到Internet并通过由微信开发的小程序（简称为“ CX”）访问云服务器来监控门的状态。 CX可以帮助开发人员快速开发小型程序。 我们开发了一个CX来访问服务器。 它可以在微信中轻松获取和传播。CX是不需要下载和安装的应用程序，并且是三个原始的WeChat公众号的并行系统。 它使系统监视锁的状态更加方便。 用户可以通过CX查看有关ID号和解锁时间的消息。 它增强了系统的安全性和实用性。
4.系统的硬件设计
4.1.主控制模块
STM32F103芯片是主控制板的核心。 它是一种低功耗，高性能的微处理器。 芯片的容量为128K，适合编程。控制板具有降压模块，可将12v转换为3.3v，为芯片供电。芯片可以通过串行端口从智能终端接收信号，然后将信号传输到无线模块。当芯片接收到打开命令时，它将驱动电子锁解锁以作出响应。 相反，如果命令是“不打开”，则芯片将保持引脚的电平。芯片的内部硬件资源如图3所示。
4.2. 电子锁模块
电子锁的控制电路如图4表示。S表示等效的控制电阻。 R5代表等效的引线内部电阻。Q1和Q2是开关晶体管。R1和L1组成等效电路来控制继电器。R2和L2组成工作线圈L的等效电路。当S断开时，电路处于稳定状态，Q1饱和，Q2截止，并且控制继电器两端的电压约为0V。 触摸点被切断，R2和L2两端的电压为0V，电子锁被锁定。当S接通时，Q1从饱和变为截止，而Q2从截止变为饱和。 控制继电器两端的电压约为电源电压。触摸点接通，R2和L2两端的电压为电源电压，锁中的电枢被拾取，电子锁被解锁。
4.3．RFID模块
智能电子锁使用RFID模块。它通过内部读卡器与ID卡通信。感应到ID卡接近后，读卡器会将ID卡数据传输到控制模块。RFID从本地发送卡。用户可以通过主卡快速添加或删除卡。此外，用户可以添加具有自己编号的卡。外部读卡器安装在门外，电子锁安装在门上。用户滑动其非接触式ID卡即可进入门。与传统的RFID（由控制模块负责识别身份证持有人的身份）不同，云服务器负责识别。授权信息存储在云服务器中，因此可以降低控制模块的容量并降低消耗。如果身份证具有通过门的权限，则云服务器会将消息发送到打开的电子锁，允许用户进入房间。 XXTEA算法用作系统的加密算法，以保护RFID读取器和RFID卡之间的动态数据交换。 XXTEA算法主要完成诸如add，shift和xor之类的操作，它们的结构简单。系统只需要执行加，异或和寄存器之类的操作。 XXTEA算法很短，可以很容易地转换为嵌入式应用程序的不同场合。
4.4．NB-IoT模块
NB-IoT模块传输可靠，连接和实时的数据。 在该系统中，一种新颖的低成本NBIoT交换模块BC95被用作无线模块。BC95将LCC封装转换为引脚接头。该模块可实现基本电路，并在5v外部电源或3.3v电池电量的情况下正常工作。该模块只能与四个主要串行端口一起使用：VCC，GND，TXD和RXD。 因此，该模块不仅可以快速应用于设计，还可以轻松访问开发板进行测试和调试。模块尺寸为48mm * 32mm，这种小型化设计使其更易于将模块集成到应用中。该模块采用超低功耗设计，并提供电源使能引脚，以便于电源管理。 模块的外观显示为图5。
NB-IoT模块与智能电子锁集成在一起。它通过串行端口与控制板通信，并通过天线将信息传输到云服务器。 由于低功耗的特性，NB-IoT保持间歇性休眠。它需要每20秒将数据包发送到云服务器，以防止NB-IoT进入睡眠状态。如[7]中所述，NBIoT模块采用3GPP产生的协议与服务器进行通信。受数字社会的愿景激励，数十亿个设备通过蜂窝无线接入技术进行通信，在第13版中，3GPP开发了不少于三种新技术来支持物联网：扩展覆盖范围的GSM物联网（EC-GSM- IoT），用于机器类型通信的LTE（LTE-M）和窄带物联网（NB-IoT）。每个设备均已标准化，以确保3GPP网络支持越来越多的设备。
5.系统的软件设计
软件设计使用KEIL编译器，并且程序使用C语言开发。模块化软件设计可以进行修改和调试。程序分为三个部分：主程序，刷卡子程序和解锁子程序。主程序初始化所有数据寄存器和外围电路。然后，刷卡子程序通过NB-IoT将程序包发送到云服务器。在云服务器中处理完软件包后，主程序进入解锁子程序。流程图显示为图6。刷卡子程序流程图显示为图7。子系统仍在监视读卡器。一旦有ID卡接近读卡器，当前时间以及ID号将由控制板包装。然后，该包由NB-IoT发送。解锁程序流程图为图8。子程序开始时，它将开始判断是否有解锁命令。收到来自NB-IoT模块的命令后，控制板将降低与电子锁相关的插针的电气电平。如果控制板成功解锁了电子锁，控制板将向服务器报告成功消息。相反，将报告错误。短暂的延迟后，电子锁将返回到锁定状态。
6.结论和期望
物联网引起了电子行业的极大关注。 自最近几年以来，它已经得到越来越多的发展。 这项研究旨在利用一种新型的物联网技术NB-IoT开发一种新型的智能电子锁。 该系统可以实现远程控制，可以在具有一定实用性的家庭，办公室等场合使用。 此外，该系统具有人性化的界面，适合所有年龄段的用户。 但是，该系统仍然有其缺点。 例如，当锁被物理攻击破坏时，系统无法正常运行，也无法为这些紧急情况设置警报，这需要进一步研究。
物联网技术与开放数据：室内空气控制的应用
摘要：家是人们放松身心并感到安全的地方。但是，有些外部因素（例如温度和湿度）使居住条件不舒服。随着物联网技术的发展，智能家居的研究问题变得越来越重要。这项研究的目的是结合室外空气质量数据分析，探索物联网技术在室内空气监测和控制中的应用。这项研究开发了原型系统，并通过用户试用报告测试和评估了系统的性能。结果表明：（1）室内和室外的空气比较对用户是可行的；（2）通过蓝牙的传输，应该通过WiFi远程监控效果来限制实用性；（3）可以在多个位置接收多个传感器。同时，要实现多种室内空间监控效果，（4）可以与其他家电结合使用，如果一体化家电控制会更加实用，（5）目前的数据库只是一个记录，尚未开发其他应用程序，并且将来可以开发预测性应用程序。我们希望通过这项研究，我们将为创新技术在智能家居中的应用提供一些建议。
关键字：物联网，开放数据，智能家居，移动应用程序，传感器
简介
物联网（IoT）并不是单个网络的扩展，而是与Internet和移动通信网络共存的系统。 国际电信联盟（ITU）在其2005年的报告中指出，“物联网时代即将到来”，这引起了各国对物联网发展的关注。 Stojkoska和Trivodaliev（2017）认为IoT代表了具有唯一可寻址互连对象的全球网络。 根据Gubbi，Buyya，Marusic和Palaniswami（2013年）的说法，物联网是传感和致动设备的互连，提供了通过统一框架在平台之间共享信息的能力，从而为实现创新应用开发了通用的操作画面。这是通过以云计算为统一框架的无处不在的传感，数据分析和信息表示来实现的。
Atzori，Iera和Morabito（2010）指出，物联网概念的主要优势在于影响力大。它将涉及日常生活的几个方面以及潜在用户的行为。 从私人用户的角度来看，IoT引入的最明显效果将均在工作和家庭领域中可见。 在这种情况下，家庭生活，辅助生活，电子医疗，增强学习只是新范例将在不久的将来发挥主导作用的可能应用场景的几个例子。
如今，随着物联网技术的进步，许多论文都将重点放在了智能家居的可行性上。 Soliman，Abiodun，Hamouda，Zhou和Lung（2013）认为，智能家居可以最大程度地减少用户在监控家庭设置和控制家用电器方面的干预。 Li和Yu（2011）提出了一种基于IoT和服务组件技术的智能家居系统的设计。 Stojkoska和Trivodaliev（2017）强调，尽管物联网在智能电网和智能家居应用方面比传统通信技术具有显着优势，但这些实现仍然很少见。他们希望维持安全稳定的室内空气环境，减少一氧化碳中毒，火灾，瓦斯爆炸，潮湿过敏等灾害的发生。这可以是有效的预防步骤，使人类可以生活在安全的环境中，并创建一个和平的社会。本研究利用网络环境监测系统技术与公共数据开放平台相结合，将室内空气监测与外部环境进行比较。这使用户可以做出更准确的判断，做出适当的响应。
这项研究的目的是结合室外空气质量数据分析，探索物联网技术在室内空气监测和控制中的应用。 这项研究有两个关键点。 首先，它是实时监控。 通过物联网技术，结合智能移动设备，并对数据检测到的所有传感器进行初始测试，可以在移动设备中实时显示并提出相应的建议。 其次，它是开放数据。 除了接收常规传感器信息外，还可以组合开放数据。 我们希望提出更准确的建议，并通过将IoT技术与周围环境相结合来扩展其应用。
文献评论
物联网（IoT）
在物联网（IoT）范例中，围绕我们的许多对象将以一种或另一种形式出现在网络上。射频识别（RFID）和传感器网络技术将迎接这一新挑战，其中信息和通信系统无形地嵌入了我们周围的环境中（Gubbi等，2013）。它使物理世界能够与传感器，执行器，显示器和计算元素进行丰富而无形的交织，并无缝地嵌入我们生活中的日常对象中，并通过一个连续的网络进行连接。 D. X. L
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