摘要：通過智慧公寓工程實際案例，分析目前LoRa、ZigBee、NB-IoT等主流LPWAN技術(shù)指標(biāo)，說明選用LoRa嵌入公寓電子鎖產(chǎn)品的原因。設(shè)計出一個典型的32位最小智能鎖系統(tǒng)電路，選擇了STM32F103RCT6作為主控芯片，包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、調(diào)試接口和外圍引腳接口，不僅對LoRa通信電路做了探討，還對智能鎖的密碼復(fù)位、按鍵觸控、語音提示電路等重要配套電路都做了設(shè)計探討。

關(guān)鍵詞：智能鎖；LoRa；樓宇公寓；物聯(lián)網(wǎng)

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)將大大改變?nèi)藗儸F(xiàn)有的生活習(xí)慣。智慧園區(qū)、智慧公寓、智能家居、數(shù)據(jù)采集等場景通常采用的是短距通信，但對于廣范圍、遠(yuǎn)距離的連接，遠(yuǎn)距離通信技術(shù)不可或缺，低功耗廣域網(wǎng)的目的就是為了“萬物互聯(lián)”。

二、LPWAN主流技術(shù)概述及對比選擇

本節(jié)主要簡單介紹目前使用頻率較高的幾種技術(shù)：LoRa、NB IoT和Zigbee，見表1。

LoRa作為一種無線通信技術(shù)，基于Sub-GHz（即頻率低于1GHz，27- 960MHz）頻段，通過線性調(diào)頻技術(shù)，利用較寬的信號帶寬來進(jìn)行信號傳輸，而且它還具有比較強的抗衰弱能力，使得LoRa具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特性，能夠很好地滿足智慧城市、智慧家居等領(lǐng)域的要求[1]。

NB-IoT由3GPP負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化，基于現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，利用LTE無線技術(shù)，使運營商低成本且高效地布局物聯(lián)網(wǎng)市場。NB-IoT有以下特點：覆蓋廣，具有164dB的最大耦合損耗，相比于GPRS高出20dB，覆蓋的面積要大100倍；連接大，一個扇區(qū)可以支持十萬個連接[2]。

Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議，專為低功耗、低數(shù)據(jù)速率和短距離通信設(shè)計。" "對比發(fā)現(xiàn)LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)且可供選擇的頻段多，相對于NB-IoT，不需要依托運營商，自主權(quán)更高些，后期維護(hù)成本較低；LoRa信號完全取決于自我部署，信號效果不受制于運營商的基站覆蓋能力；對于公寓拐角走廊細(xì)長形場景，LoRa優(yōu)良的信號穿透能力特別適用；LoRa在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3倍～5倍。綜上選擇基于LoRa技術(shù)設(shè)計智能鎖的通信模塊[3-4]。

三、智能鎖系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

（一）主控電路設(shè)計

該主控模塊最小系統(tǒng)電路為微控制器提供基本的運行環(huán)境，以便開發(fā)和調(diào)試。一個典型的32位最小系統(tǒng)電路包括以下幾個關(guān)鍵部分：電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、調(diào)試接口和外圍引腳接口。電源電路為微控制器提供穩(wěn)定的工作電壓。STM32F103系列微控制器通常需要3.3V的工作電壓，如圖1所示。

（二）關(guān)鍵系統(tǒng)電路實現(xiàn)設(shè)計

復(fù)位電路用于確保微控制器在上電或出現(xiàn)異常情況時能夠正常復(fù)位。STM32F103最小系統(tǒng)中，通常在復(fù)位引腳（NRST）與地之間連接一個電阻（10kΩ）和一個電容（100nF），形成一個簡單的上電復(fù)位電路。在上電時，復(fù)位引腳會暫時被拉低，然后迅速恢復(fù)到高電平，觸發(fā)一次復(fù)位過程。此外，NRST引腳還可以連接一個按鈕，用于手動復(fù)位。

時鐘電路為微控制器提供系統(tǒng)時鐘信號。STM32F103支持內(nèi)部和外部時鐘源。通常使用一個8MHz的晶振作為外部時鐘源，連接到微控制器的HSE引腳（OSC_IN和OSC_OUT）。晶振的兩端還需連接兩個小電容（通常為22pF），分別接地，以穩(wěn)定晶振的振蕩。時鐘信號是微控制器內(nèi)部各個模塊的工作基準(zhǔn)，因此，其穩(wěn)定性和精度直接影響系統(tǒng)的性能。

調(diào)試接口用于與開發(fā)板和PC連接，本電路采用串口進(jìn)行調(diào)試。STM32F103的串口接口包括TXD（PA9）和RXD（PA10）引腳。調(diào)試接口還需要一個3.3V電源引腳和一個GND引腳。通過調(diào)試接口，開發(fā)者可以利用USB轉(zhuǎn)TTL連接STM32F103上述引腳下載程序、調(diào)試代碼并監(jiān)控微控制器的運行狀態(tài)。復(fù)位和調(diào)試引腳的合理設(shè)計有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易用性。接口示意圖如圖2所示。

通過這個最小系統(tǒng)電路設(shè)計，STM32F103微控制器能夠正常運行，并且可以通過串口接口進(jìn)行調(diào)試和開發(fā)，為進(jìn)一步的系統(tǒng)設(shè)計和擴展提供了支持。

（三）LoRa通信電路設(shè)計

本系統(tǒng)所采用的ATK-LoRa01模塊是一款高性能的遠(yuǎn)距離無線串口通信模塊，采用SX1278射頻芯片，支持在410MHz至441MHz的ISM頻段內(nèi)32個信道的無線通信。模塊設(shè)計有6個引腳，包括用于配置和固件升級的MD0和AUX引腳、UART通信的RXD和TXD引腳，以及電源地GND和3.3V至5V寬電壓范圍的電源VCC。模塊的功耗在不同工作模式下有顯著差異。例如，在5V供電時，發(fā)射模式下最大功耗為118mA （20dBm發(fā)射功率），接收模式下為17mA，而在省電模式下最低可降至2.3uA。模塊還配備了SMA天線接口，便于連接和更換天線，其緊湊的20mm×36mm尺寸設(shè)計，便于集成到各種硬件系統(tǒng)中。此外，模塊還支持通過AT指令集進(jìn)行靈活的配置和調(diào)試，以滿足不同應(yīng)用場景的需求，如圖3所示。

（四）密碼鎖解鎖電路

SC12B_SSOP24通過多個觸摸感應(yīng)引腳與觸摸板連接，這些引腳對應(yīng)于不同的觸摸按鍵。當(dāng)用戶觸摸按鍵時，電容值發(fā)生變化，芯片內(nèi)部的檢測電路會識別這些變化，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過處理后的信號被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，通過輸出引腳發(fā)送到主控單元。這些控制信號通常用于執(zhí)行開鎖、鎖定或其他用戶定義的操作。SC12B_SSOP24 在智能鎖觸摸控制電路中起到了核心作用。它不僅能夠精確檢測用戶的觸摸操作，還能通過與主控單元的有效通信，實現(xiàn)鎖的各種智能功能，如圖4所示。

（五）語音提示電路

該語音提示電路主要由以下關(guān)鍵器件組成：JQ8900N語音模塊、8002A音頻功放芯片，以及ZB25VQ32BSIG存儲芯片，如圖5所示。

JQ8900N是一款集成了MP3音頻解碼、語音播放功能的模塊，支持多種音頻格式文件的播放。8002A是一款音頻功放芯片，負(fù)責(zé)將JQ8900N輸出的音頻信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動揚聲器發(fā)出語音提示。ZB25VQ32BSIG是一款32Mb容量的SPI Flash存儲芯片，用于存儲JQ8900N語音模塊所需的音頻文件。該芯片通過SPI接口與JQ8900N連接，存儲的語音數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行擦寫和更新。

當(dāng)主控MCU發(fā)出播放語音提示的指令時，指令通過串口傳輸給JQ8900N語音模塊。JQ8900N從ZB25VQ32BSIG存儲芯片中讀取相應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)，并將其解碼為模擬音頻信號。隨后，該音頻信號被送入8002A音頻功放芯片進(jìn)行放大處理，最終通過揚聲器輸出清晰的語音提示。

四、結(jié)語

以智慧公寓的智能電子鎖為基礎(chǔ)，分析了LPWAN主流技術(shù)的優(yōu)勢，利用技術(shù)的自身特點提出基于LoRa的智能鎖的設(shè)計和實現(xiàn)。

相比于其他的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，樓宇公寓的智能鎖通信采用的LoRa有著更強的數(shù)據(jù)傳輸能力，而且不依賴運營商信號強弱，具有自主性強、后期維護(hù)成本低的特點。本文對LoRa的一些硬件的基本實現(xiàn)提出自己的設(shè)計，重點提出通信外圍電路的設(shè)計實現(xiàn)。隨著LPWAN 技術(shù)的更新發(fā)展，芯片集成度更高地疊加，智能鎖的通信會更加順暢，成本更具競爭力。

參考文獻(xiàn)

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[3]王舜.基于LoRa的多傳感器水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2023.

[4]Hardie M，Hoyle D.Underground Wireless Data Transmission Using 433-MHz LoRa for Agriculture[J].Sensors，2019，19（19）：4232-4232.

作者單位：西安郵電大學(xué)

責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟