2024年5月10日发(作者：华为畅享5s参数)

电子产品世界

基于NB-IoT通信的智能门锁

Intelligent door lock based on NB-IoT communication protocol

*

梁友槟，钟 键，吴添贤，麦伟健，罗鸿冲，揭 海 （广州大学电子与通信工程学院，广州 510006）

摘 要：随着物联网时代的来临，越来越多的智能设备走进人们的生活，万物互联将会是将来发展的大趋势。

随着90后与00后的成长，人们对智能设备的接受程度将大大提升，智能家居的普及率将迎来一波新浪潮。而智能

门锁作为智能家居的一大切入点，将对人们接受智能家居产品起到重要作用。但是，目前市场上智能门锁的多种

开锁方式导致其价格居高不下，传统钥匙开锁的保留也导致其机械结构更加复杂

[3]

。但实际上使用智能门锁的用

户几乎已不再使用钥匙开锁的方式。因此研发一款高性价比的智能门锁具有重要意义。本文基于NB-IoT通信方

式，以STM32L431RC作为主控MCU设计了一款密码开锁，手机APP开锁两种开锁方式的智能门锁。

关键词：NB-IoT；低功耗；智能门锁

*基金项目：2019年校级大学生创新训练项目（CX2019189）；获得“广东省大学生电子设计竞赛”-2020年

“5G-AI”专题广东省一等奖

1 系统硬件架构

１．１　系统硬件组成

本文系统主控芯片为STM32L431单片机，实现门

锁系统的整体控制及信息交互。本文系统的三大功能模

块分别为基于NB-IoT通信方式的移动端远程监测控制

功能和基于4×4矩阵键盘的密码开锁功能模块，以及

基于JR6001语音控制芯片的语音播报功能模块。系统

硬件组成如图1所示。基本结构必不可少，锁体结构设

计主要通过控制微舵机的转动驱动锁体的开

关。为保证整个系统的完善性，本系统分别

有电源模块保证整个系统的正常供电从而稳

定运行，基于OLED12864液晶显示屏模块

用于人机交互，提升用户的使用体验。用户

可使用手机，电脑等移动设备或通过矩阵键

盘输入正确的密码进行身份验证与系统交互，

获得权限后可对门锁进行控制或使用修改密

码等服务。

可靠性等性能指标，本文的门锁系统的主控MCU选择

STMicroelectronics公司的低功耗STM32L431RCT6系

列。STM32L431RCT6是一款超低功耗微控制器，基

于高性能的ARM Cortex-M4 32位RISC内核，具有

64 KB的SRAM与高达256 KB的Flash ROM，工作频

率高达80 MHz，运行在-40～85 ℃的温度范围内，低

功耗、低成本且高可靠性。

１．２　主控芯片　

综合考虑芯片成本、功耗、工作频率、

图１　系统硬件组成

作者简介：梁友槟（1999—），男，主要从事 FPGA 异构加速与嵌入式开发的学习。

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设计应用

１．３　外围电路

１．３．１　电源电压适配模块　

电源控制模块是基于RT8059GJ5的高效率DC-DC

转换器设计的，适用于由单一锂电池供电的电子设备，

且其输出电压从2.8 V至V

IN

可调，为STM32L431单片

机机器外延电路提供稳定的直流电，保证系统的正常运

作。不同模块对于供电电压有不同的需求，因此在硬件

电路设计上使用大容量5 V锂电池外部输入供电，再经

稳压芯片RT8059GJ5转换为3.3 V的电压

[4]

。电源控制

１．３．３　ＯＬＥＤ液晶屏显示模块　

OLED液晶屏显示模块主要由一块0.96英寸（注：

1英寸=2.54 cm）的OLED12864组成，由于其较小的

尺寸和比较高的分辨率，让它有很好的显示效果和便携

性。OLED内部集成OLED液晶显示屏、SSH1106驱

动模块和偏置电压产生电路，单片机可通过IIC协议控

制其显示相应的内容。利用中文字库和图形库，可配合

STM32L431单片机，使其显示任意的内容，构成友好

的人机交互界面，即STM32L431通过SDA和SCL两

条控制线对OLED显示屏显示相应的英文、汉字或图形。

OLED12864显示电路如图4所示。其主要的设计目的

是指导用户和门锁系统更好地进行人机交互。

模块电路如图2所示。输出的3.3 V电压作为按键解锁

模块的稳定供电，输入的5 V电压同时为JR6001语音

控制模块的语音播报模块的供电系统，输出的3.3 V电

压作为主控芯片STM32L431、基于LED12864的显示

模块以及微舵机驱动电路的供电系统。当EN脚位为低

电位时，进入关机模式，消耗电流小于0.1 μA。

图４　ＯＬＥＤ１２８６４管脚图

１．４　三大功能模块　

图２　电源电压适配电路

１．４．１　ＮＢ－ＩｏＴ通信模块

本文系统的采用的NB-IoT通信模组为上海移远

通信技术股份有限公司（Quectel）的BC35-G系列。

NB-IoT通信模组指的是将Baseband（基带）芯片，RF

芯片和NB-IoT协议栈等组合在一块PCB上，并且向

外提供硬件管脚和软件接口的模组。在目前NB-IoT通

信模组的市场上，应用比较广泛的是移远通信的BC95

和BC35-G两大系列。BC35-G系列是BC-95系列的

增强型，优化了定位、移动性、功耗、数据传输速率等

模组性能，并且增强了系统的安全性。此外，BC35-G

尺寸小巧，功耗极低，工作温度范围极宽，被认为是

IoT应用领域的理想选择，常被用于远程抄表、智慧城市、

智能路灯、农业和环境监测等领域

[2]

，用以提供完善的

短信和数据传输服务。因此，本文系统选用移远通信的

BC35-G系列的通信模组。BC35-G模组可通过AT命

１．３．２　微舵机驱动锁体模块

微舵机驱动锁体模块主要由SG90舵机和基本锁体

组成如图3所示。舵机控制线的输入是一个宽度可调

的周期性方波脉冲信号，当方波的脉冲宽度改变时，

舵机的转动角度就会发生改变。SG90舵机的转动角度

与脉冲宽度成正比。因此，用STM32L431单片机通过

PWM控制方式控制舵机的转动角度，从而带动锁体的

转动完成开关锁的基本操作。

图３　ＳＧ９０舵机

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令控制，AT命令作为一种接口标准，他有确定的命令

格式与相应的返回值。AT命令的命令集一般都是以AT

起始，以回车键结束。无论AT命令能否成功执行，都

应有相应的返回值。使用软件对STM32L431进行编程，

设置串口通信波特率为9600 bit/s，STM32L431通过发

送AT命令，可以很容易地对BC35-G模组进行控制。

器件实现了最完美的匹配。通过Keil uVision5开发环境

支持的硬件调试器，开发人员可以方便地访问被调试处

理器的所有外围设备，通过STLINK-V2还可以直接烧

录下载程序。

１．４．２　密码解锁模块

按键解锁模块用于密码输入、密码修改等，采用

4×4矩阵行列式键盘。4×4矩阵键盘有4行4列按

键，使用STM32L431的8个I/O口分别连接键盘的行

线和列线，通过检测电平变化，判断是哪个按键按下。

16个键值分别是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、

#、A、B、C、D。STM32L431读出输入的4位键值，

与提前储存在EEPROM中的密码进行匹配，匹配成功

后单片机驱动微舵机控制门锁的打开。具体使用方式为

先输入“#”进入密码输入模式，输入4位密码后在按

“#”结束，密码正确或错误都将有语音提示，正确即

可打开门锁，修改密码的方法为先输入“*”进入密码

修改模式，修改密码需要先输入正确的密码后再输入需

要修改的密码，修改成功后新密码将覆盖原密码储存进

EEPROM中且会有语音提示。键值输入的过程也会通

过OLED12864进行相关显示。

１．４．３　语音播报模块

语音播报模块用于人机交互，对用户的相关操作进

行语音提示，同时在用户关锁时进行语音提醒。本文系

统采用的语音控制芯片为JR6001语音模块，该模块支

持MP3、WAV高品质音频格式，声音优美，24位DAC

输出，动态范围支持90 dB，信噪比85 dB，支持AT命

令控制，控制方式简单，同时支持USB更新语音文件，

可轻松对存储芯片中的语音进行更新。

图５　软件执行流程

２．２　智能门锁软件实现　

软件的实现主要为完成模组初始化、参数设置、

BC35-G初始化检查与数据收发等工作。软件执行流程

如图5所示。系统上电后，首先初始化终端模块；初始

化完成后，调试软件工作参数，如IP地址、端口号及

模块频率等；参数设置完成后，检查BC35-G模组的初

始化状态，如网络信号、信号信息等。当检查完成后，

即可与基站进行数据传输。通过执行AT（Attention）

命令，门锁终端对BC35-G进行操控。程序主要实现的

功能是以华为云IoT服务器为媒介，移动端设备发送信

2 系统软件的设计与开发

２．１　智能门锁软件开发环境

NB-IoT智能门锁终端使用C语言编写开发程序，

并且在Keil uVision5下进行编译和调试。Keil uVision5

窗口管理系统的灵活性很好。本文系统采用的开发软件

是Keil MDK-ARM，它的编译器和调试工具均与ARM

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设计应用

息给华为云IoT云服务器，服务器接收到信息后发送相

应的信息给NB-IoT模块，NB-IoT模块接收信息后发

软件编程对硬件系统实施控制，最终实现智能解锁等主

要功能。通过实际验证，本系统能满足实际应用中对门

锁准确率的要求，同时为用户带来了良好的体验。智能

门锁整体结构如图7所示。

送给STM32L431单片机，单片机根据接收到的指定的

信息运行指定的程序。软件工作流程图如图6所示。通

过华为云物联网平台集成开发，可以将门锁终端、华为

云IoT服务器平台和移动端APP三部分进行连接，轻

易实现移动设备对门锁的控制。

图７　智能门锁整体结构图

图６　华为云物联网平台对接流程图

参考文献：

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Narrow Band Internet of Things (NB-IoT)[J/OL].Computer

Networks,2021,185(2)::///10.1016/

.2020.107592

3 结束语

针对传统门锁系统存在的弊端以及智能家居设备

走进人们生活的时代发展背景，本文设计了一款以

STM32L431为主控芯片，以基于NB-IoT通信方式的

移动端远程控制和密码按键为解锁模式的智能门锁系

统。该系统还包括由NB-IoT通信模块、基于4×4矩

阵键盘的密码解锁模块、基于JR6001语音控制芯片的

语音播报模块、微舵机SG90驱动锁体结构模块，以及

基于RT8059GJ5高效率DC-DC转换器的电源电压适

配模块、OLED12864显示模块组成的硬件系统，通过

（上接第７３页）

地变+接地电阻接地方式能够最大限度

地抑制暂时过电压，避免因电缆绝缘受损而导致事故扩

大。本文根据这一特点，不仅提供了接地电阻和接地变

选择的基本计算方法，还推荐了工程应用中几种常见的

接地电阻值和接地变容量选择，以供工程技术人员参考。

参考文献：

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