基于NB-IoT智能柜锁系统的制作方法

本发明属于电子通信领域，具体涉及一种基于nb-iot智能柜锁系统。

背景技术：

随着现代智慧城市的发展，路灯、交通灯、宽带、电表大量增加，控制柜的数量也在大幅度的增加。但是控制柜上锁还是采用传统的钥匙锁。钥匙锁有许多不便之处，首先是容易出现维护人员忘记携带钥匙，而无法打开控制柜的情况。其次如果一个控制柜配备一把钥匙，会因为需要携带大量钥匙而增加维护人员的工作负担；如果为同一类型的控制柜配备同一把钥匙，则很容易被无关人员打开，存在安全隐患。同时，由于控制柜的分布并不集中，出现故障时，维护人员很难快速地定位到故障控制柜的位置，容易带来管理上的混乱。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明设计了基于nb-iot智能柜锁系统。

基于nb-iot智能柜锁系统，包括主控板和锁控板。

所述主控板包括单片机核心系统模块、门磁检测模块、温度监测模块、照明控制模块、nb-iot核心系统模块、主控板电源模块。

所述单片机核心系统模块包括单片机芯片外围电路、单片机外部晶振电路、单片机按键复位电路、单片机下载电路和单片机串口通信电路。

单片机芯片外围电路包括单片机芯片u1，第四、第五、第六电容c4、c5、c6和接线底座p1。其中第四、第五、第六电容c4、c5、c6的一端连接到正3.3v电源，第四电容c4的另一端连接芯片u1的第23引脚，第五电容c5的另一端连接芯片u1的第35引脚，第六电容c6的另一端连接芯片u1的第47引脚；芯片u1的第8、20、23、35、44、47引脚连接到gnd，第9、24、36、48引脚连接到正3.3v电源。接线底座p1第1、2、3、4引脚分别与芯片u1的第27、15、28、26引脚相连，第5引脚接正12v电源，第6引脚连接到gnd。

所述的单片机芯片u1的型号为stm32l151c8t6。

所述单片机外部晶振电路包括第二电阻r2，第一晶振y1和第二、第三电容c2、c3。其中第二电阻r2、第一晶振y1和第二电容c2的一端与芯片u1的第5引脚相连；第二电阻r2、第一晶振y1的另一端和第三电容c3的一端与芯片u1的第6引脚相连；第二电容c2的另一端和第三电容c3的另一端与gnd相连。

所述单片机按键复位电路包括第一电阻r1，第一电容c1和按键key。第一电阻r1的一端与正3.3v电源相连，另一端接芯片u1的第7引脚、第一电容c1的一端和按键key的一端；第一电容c1与按键key的另一端连接到gnd。

所述单片机下载电路包括单排针swd，其中单排针swd的第1引脚连接正3.3v电源，单排针swd的第2引脚接芯片u1的第37引脚，单排针swd的第3引脚接芯片u1的第34引脚，单排针swd的第4引脚接gnd。

所述单片机串口通信电路包含第十八、第十九电阻r18、r19，第二排针、第三排针j2、j3。第十八电阻r18的一端接芯片u1的第46引脚，第十九电阻r19的一端接芯片u1的第21引脚，第二、第三排针j2、j3的第1引脚与正3.3v电源连接、第4引脚连接到gnd；第二排针j2的第2引脚、第3引脚分别与芯片u1的第29引脚、第30引脚相连。第三排针j3的第2引脚、第3引脚分别与芯片u1的第12引脚、第13引脚相连。

所述门磁检测模块包括两线常开型门磁模块和底座j1；常开型门磁模块的两个引脚分别与底座j1的两个引脚相连，j1的两个引脚分别与芯片u1的第29、30引脚相连。

所述温度监测模块包括一个温度传感器u5和第八电阻r8。传感器u5的第3引脚接正3.3v电源，第2引脚接芯片u1的第25引脚和第八电阻r8的一端；第八电阻r8的另一端接3.3v；传感器u5的第1引脚接gnd。

所述温度传感器u5的型号为ds18b20。

所述照明控制模块包括第九、第十电阻r9、r10，发光二极管led，三极管q7，继电器m1，二极管d2和接线端子j5。第九、第十电阻r9、r10的一端接芯片u1的第43引脚，芯片u1其余引脚置空。第九电阻r9的另一端接三极管q7的基极，第十电阻r10的另一端接发光二极管正极；发光二极管led的负极接三极管q7的发射极和gnd。三极管q7的集电极接继电器m1的第3引脚和二极管d2的正极。二极管d2的负极接继电器m1的第2引脚和正12v电源。接线端子j5的第1、2引脚分别与继电器m1的第4、第1引脚相连。接线端子j5的两个引脚连接接触器的其中一个控制线的两端，继电器通过控制这根接触器的控制线控制连接在接触器上的照明灯。

所述nb-iot核心系统模块包括nb-iot外围电路、外置天线电路、vbat输入端滤波电路和外部usim卡座电路。

所述nb-iot外围电路包括nb-iot芯片bc95-01，第二十电阻r20。芯片bc95-01的第2、43、47、48、51、52、54引脚与gnd相连，第15引脚与芯片u1的第7引脚相连，第45引脚与第46引脚相连命名为vbat端口，第29脚连接到第十八电阻r18的另一端，第30脚连接到第十九电阻r19的另一端。第二十电阻r20的一端连接vbat，另一端连接芯片bc95-01的第29引脚。

所述nb-iot芯片bc95-01的型号为bc-95。

所述外置天线电路包括ipex底座u7、第四电阻r4。第四电阻r4的一端与芯片bc95-01的第53引脚连接，另一端与底座u7的第3引脚连接。底座u7的第1、第2引脚连接到gnd。

所述vbat输入端滤波电路包括稳压二极管d1、第七、第八、第九、第十电容c7、c8、c9、c10，其中稳压二极管d1的负极与第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9和第十电容c10的一端连接到vbat，稳压二极管d1的正极与第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9和第十电容c10的另一端连接到gnd。

所述外部usim卡座电路包括microsim卡槽u3，集成tvs二极管芯片u4，第五、第六、第七电阻r5、r6、r7和第十一、第十二、第十三、第十四电容c11、c12、c13、c14。第十一电容c11的一端与芯片u4的第1引脚和卡槽u3的第1引脚相连，另一端与卡槽u3的第4引脚相连。第十二电容c12的一端与卡槽u3的第2引脚、芯片u4的第6引脚相连，另一端与gnd相连。第十三电容c13的一端与卡槽u3的第3引脚、芯片u4的第5引脚相连，另一端与gnd相连。第十四电容c14的一端与卡槽u3的第6引脚、芯片u4的第4引脚相连，另一端与gnd相连。芯片u4的第2引脚与gnd相连，第3引脚悬空。卡槽u3的第1引脚与芯片bc95-01的第38引脚相连，第2、3、6引脚分别连接到第六、七、五电阻r6、r7、r5的一端，第4引脚与芯片bc95-01的第42引脚相连，第5引脚悬空。第六、七、五电阻r6、r7、r5的另一端分别与芯片bc95-01的第39、41、40引脚相连。芯片bc95-01的其余引脚悬空。

主控板电源模块包括稳压芯片u2，电容c1-1、c1-2、c1-3,电阻r1-1、r1-2、r1-5、r1-6，稳压二极管d3，第一电感l1，12v接线端子j4。芯片u2的第7引脚与电阻r1-1、电容c1-2的正极以及接线端子j4的第1引脚相连，第5引脚与电阻r1-1的另一端、电阻r1-2的一端相连，第1引脚与电容c1-1的一端相连，第8引脚与电容c1-1的另一端、稳压二极管d3的负极相连，第2、3引脚悬空，第4引脚与电阻r1-5、r1-6的一端相连，第6、第9引脚与gnd相连。电容c1-2的负极、电阻r1-2、r1-6的另一端与gnd相连。第一电感l1的一端与稳压二极管d3的负极相连，另一端与电容c1-3的正极、电阻r1-5的另一端、vbat以及正3.3v电源相连。稳压二极管d3的正极与电容c1-3的负极与gnd相连。j4的第1引脚与接线底座p1的第5引脚相连，第2引脚与gnd相连,j4的底座上接入12v的电源适配器。

所述稳压芯片u2的型号为tps5430。

所述锁控板包括柜锁控制模块和gps定位模块。

所述柜锁控制模块包括工作指示灯电路、12v转3.3v电路、柜锁门把手状态监测电路、柜锁门把手控制电路和接线底座p3。

所述工作指示灯电路包括双色led灯led1和第二、第三电阻r2、r3。led1的第1引脚与第二电阻r2的一端相连，第2引脚与正3.3v电源相连，第3引脚与第三电阻r3的一端相连。第二电阻r2和第三电阻r3的另一端分别与接线底座p3的第1、3引脚相连。

所述12v转3.3v电路包括稳压芯片power_suply1和第一、第二电容c1、c2。power_suply1的第1引脚与第一电容c1的一端以及接线底座p3的第5引脚相连，第2引脚与第一电容c1的另一端、gnd相连，第3、4引脚悬空，第5引脚与第二电容c2的一端以及正3.3v电源相连。第二电容c2的另一端与gnd相连。

所述柜锁门把手状态监测电路包括干簧管a1和第四电阻r4。干簧管a1的一端与正3.3v电源相连，另一端与第四电阻r4的一端以及接线底座p3的第2引脚相连。第四电阻r4的另一端与gnd相连。

所述柜锁门把手控制电路包括接线柱p2，二极管d1，第一电阻r1，三极管q1。接线柱p2的第1引脚与二极管d1的负极以及接线底座p3的第5引脚相连，第2引脚与二极管d1的正极以及三极管q1的发射极相连。三极管q1的集电极与gnd相连，基极与第一电阻r1的一端相连。第一电阻r1的另一端和接线底座p3的第4引脚相连。p2接线柱通过两个引线与门锁的电磁阀相连接，控制门锁把手的开关。

所述三极管q1的型号为2n5551。

所述接线底座p3的第1、2、3、4、5、6引脚通过排线分别与主控板上的接线底座p1的第1、2、3、4、5、6引脚相连。

所述gps定位模块包括gps定位模组。gps模块的vcc连接j3的第1引脚，gps模块的rx连接j3的第2引脚，gps模块的tx连接j3的第3引脚，gps模块的gnd连接j3的第4引脚。

系统上电后，工作指示灯红绿交替闪烁三次，首先进行cpu初始化，然后进行nb-iot模块初始化，当连接到nb-iot的网络后，通过gps模块获取位置信息上传到云服务器。之后，该系统处于检测是否有来自云服务器的指令或者门锁是否有异常情况(门锁长时间未关闭等情况)。当检测有来自云服务器的开锁指令时，cpu控制锁控板使其接入的电磁阀工作，电磁阀吸附门锁的喉舌，旋转门把手即可打开柜门，同时电源指示灯进行红绿交替闪烁三次。然后电磁阀断电，内部弹簧将门锁的锁舌放下，关上柜门时，锁舌会自动锁住柜门。如果检测到门锁异常，cpu通过gps获取定位信息，将位置信息和门锁异常情况通过nb-iot模块发送到服务器上。系统采用电子芯片锁芯，当系统异常无法控制柜锁打开时，可以使用绑定了该锁芯的电子钥匙打开柜锁。检测到温度异常时会执行异常行为操作，例如自动打开门锁。在指定时间内执行开锁操作，系统会自动打开照明系统，当系统识别到门锁关闭后将自动关闭照明系统。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的门磁电路接入cpu芯片的串口通信引脚，通过串口完成门磁检测模块信号的接受与发送，与传统方式中直接连到cpu的一个i/o口相比，具有更高的抗干扰性，有效提高了系统的稳定性。

2.本发明通过cpu芯片连接bc95-01模组，直接连接服务器，获取附近烟雾报警器的数据。当烟雾报警器有危险告警时，cpu芯片将控制电路自动打开柜锁门把手，有利于迅速操作柜锁中的设备，例如断电，减少设备损失。

3.本发明的温度检测模块采用ds18b20温度传感器，可以贴近柜锁内部的设备，实时监测设备的温度，一旦设备温度异常，立即上报报警消息同时自动打开柜锁的门把手，有利于值班人员迅速采取操作方法。

4.本发明的照明系统通过继电器控制接触器控制，提高了电路的安全性，增大照明系统的负载，具有更高的可靠性。

5.本发明采用两次柜锁状态检测，一次通过门磁模块检测箱门的开关状态，一次通过锁控板上的干簧管检测门把手的开关状态。因此可以精确识别柜锁的具体状态，防止遗漏异常状态。

6.本发明将主控板和锁控板分离，不仅可以缩小锁盒的空间，而且使得本发明具有更强的兼容性，应用在不同类型的柜锁上，可以只更换锁控板。

7.本发明采用了gps模块，可以获取位置信息便于在空旷的郊外寻找该系统。同时利用gps模块作为nb-iot模组断网情况下的备用时钟，记录下该系统的运行情况，等待nb-iot模组恢复网络时上传到服务器。

附图说明

图1为发明的电路结构图；

图2为单片机芯片外围电路；

图3为主控板接线底座p1；

图4为单片机外部晶振电路；

图5为单片机按键复位电路；

图6为单片机下载电路；

图7为单片机串口通信电路；

图8为柜锁门磁检测连接电路；

图9为温度监测检测电路；

图10为照明控制电路；

图11为nb-iot外围电路；

图12为vbat输入端滤波电路；

图13为外部usim卡座电路；

图14为主控板电源模块；

图15为工作指示灯电路；

图16为接线底座p3；

图17为12v转3.3v电路；

图18为柜锁门把手状态监测电路；

图19为柜锁门把手控制电路。

具体实施方式

如图1所示基于nb-iot智能柜锁系统，包括单片机核心系统模块、温度监测模块、照明控制模块工作指示灯电路、门磁检测模块电路、柜锁门把手监测电路、柜锁门把手控制电路、nb-iot核心模块、电源模块以及gps定位模块。其中单片机核心模块包括包括单片机芯片外围电路、单片机外部晶振电路、单片机按键复位电路、单片机下载电路和单片机串口通信电路。nb-iot核心模块包括nb-iot外围电路、外置天线电路、vbat输入端滤波电路和外部usim卡座电路。

如图2、图3所示，单片机芯片外围电路包括单片机芯片u1，第四、第五、第六电容c4、c5、c6和接线底座p1；芯片u1的型号为stm32l151c8t6；其中第四、第五、第六电容c4、c5、c6的一端连接到正3.3v电源，第四电容c4的另一端连接芯片u1的第23引脚，第五电容c5的另一端连接芯片u1的第35引脚，第六电容c6的另一端连接芯片u1的第47引脚；芯片u1的第8、20、23、35、44、47引脚连接到gnd，第9、24、36、48引脚连接到正3.3v电源；接线底座p1第1、2、3、4引脚分别与芯片u1的第27、15、28、26引脚相连，第5引脚接正12v电源，第6引脚连接到gnd；

如图4所示，单片机外部晶振电路包括第二电阻r2，第一晶振y1和第二、第三电容c2、c3；其中第二电阻r2、第一晶振y1和第二电容c2的一端与芯片u1的第5引脚相连；第二电阻r2、第一晶振y1的另一端和第三电容c3的一端与芯片u1的第6引脚相连；第二电容c2的另一端和第三电容c3的另一端与gnd相连；

如图5所示，单片机按键复位电路包括第一电阻r1，第一电容c1和按键key；第一电阻r1的一端与正3.3v电源相连，另一端接芯片u1的第7引脚、第一电容c1的一端和按键key的一端；第一电容c1与按键key的另一端连接到gnd；

如图6所示，单片机下载电路包括单排针swd，其中单排针swd的第1引脚连接正3.3v电源，单排针swd的第2引脚接芯片u1的第37引脚，单排针swd的第3引脚接芯片u1的第34引脚，单排针swd的第4引脚接gnd；

如图7所示，单片机串口通信电路包含第十八、第十九电阻r18、r19，第二排针、第三排针j2、j3；第十八电阻r18的一端接芯片u1的第46引脚，第十九电阻r19的一端接芯片u1的第21引脚，第二、第三排针j2、j3的第1引脚与正3.3v电源连接、第4引脚连接到gnd；第二排针j2的第2引脚、第3引脚分别与芯片u1的第29引脚、第30引脚相连；第三排针j3的第2引脚、第3引脚分别与芯片u1的第12引脚、第13引脚相连；芯片u1的第16引脚与锁控板相连，其余引脚置空；

如图8所示，门磁检测模块包括两线常开型门磁模块和底座j1；常开型门磁模块的两个引脚分别与底座j1的两个引脚相连，j1的两个引脚分别与芯片u1的第29、30引脚相连。

如图9所示，温度监测模块包括一个温度传感器u5和第八电阻r8。温度传感器u5的型号为ds18b20。传感器u5的第3引脚接正3.3v电源，第2引脚接芯片u1的第25引脚和第八电阻r8的一端；第八电阻r8的另一端接3.3v；传感器u5的第1引脚接gnd。

如图10所示，照明控制模块包括第九、第十电阻r9、r10，发光二极管led，三极管q7，继电器m1，二极管d2和接线端子j5。第九、第十电阻r9、r10的一端接芯片u1的第43引脚，芯片u1其余引脚置空。第九电阻r9的另一端接三极管q7的基极，第十电阻r10的另一端接发光二极管正极；发光二极管led的负极接三极管q7的发射极和gnd。三极管q7的集电极接继电器m1的第3引脚和二极管d2的正极。二极管d2的负极接继电器m1的第2引脚和正12v电源。接线端子j5的第1、2引脚分别与继电器m1的第4、第1引脚相连。接线端子j5的两个引脚连接接触器的其中一个控制线的两端，继电器通过控制这根接触器的控制线控制连接在接触器上的照明灯。

如图11所示，nb-iot外围电路包括nb-iot芯片bc95-01和第二十电阻r20。外置天线电路包括ipex底座u7、第四电阻r4。nb-iot芯片bc95-01的型号为bc-95。第二十电阻r20的一端连接vbat，另一端连接芯片bc95-01的第29引脚。芯片bc95-01的第2、43、46、47、48、51、52、54引脚与gnd相连，第15引脚与芯片u1的第7引脚相连，第45引脚与第46引脚相连命名为vbat端口，其余引脚均悬空。，第29脚连接到第十八电阻r18的另一端，第30脚连接到第十九电阻r19的另一端。第四电阻r4的一端与芯片bc95-01的第52第53引脚连接，另一端与底座u7的第3引脚连接。底座u7的第1、第2引脚连接到gnd。

如图12所示，vbat输入端滤波电路包括稳压二极管d1、第七、第八、第九、第十电容c7、c8、c9、c10，其中稳压二极管d1的负极与第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9和第十电容c10的一端连接到vbat，稳压二极管d1的正极与第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9和第十电容c10的另一端连接到gnd。

如图13所示，外部usim卡座电路包括microsim卡槽u3，集成tvs二极管芯片u4，第五、第六、第七电阻r5、r6、r7和第十一、第十二、第十三、第十四电容c11、c12、c13、c14。第十一电容c11的一端与芯片u4的第1引脚和卡槽u3的第1引脚相连，另一端与卡槽u3的第4引脚相连。第十二电容c12的一端与卡槽u3的第2引脚、芯片u4的第6引脚相连，另一端与gnd相连。第十三电容c13的一端与卡槽u3的第3引脚、芯片u4的第5引脚相连，另一端与gnd相连。第十四电容c14的一端与卡槽u3的第6引脚、芯片u4的第4引脚相连，另一端与gnd相连。芯片u4的第2引脚与gnd相连，第3引脚悬空。卡槽u3的第1引脚与芯片bc95-01的第38引脚相连，第2、3、6引脚分别连接到第六、七、五电阻r6、r7、r5的一端，第5引脚悬空。第六、七、五电阻r6、r7、r5的另一端分别与芯片bc95-01的第39、41、40引脚相连。芯片bc95-01的其余引脚悬空。

如图14所示，主控板电源模块包括稳压芯片u2，电容c1-1、c1-2、c1-3,电阻r1-1、r1-2、r1-3、r1-4、r1-5、r1-6，稳压二极管d3，第一电感l1和12v接线端子j4。稳压芯片u2的型号为tps5430。芯片u2的第7引脚与电阻r1-1、电容c1-2的正极以及接线端子j4的第1引脚相连，第5引脚与电阻r1-1的另一端、电阻r1-2的一端相连，第1引脚与电容c1-1的一端相连，第8引脚与电容c1-1的另一端、稳压二极管d3的负极相连，第2、3引脚悬空，第4引脚与电阻r1-5、r1-6的一端相连，第6、第9引脚与gnd相连。电容c1-2的负极、电阻r1-2、r1-6的另一端与gnd相连。第一电感l1的一端与稳压二极管d3的负极相连，另一端与电容c1-3的正极、电阻r1-5的另一端、vbat以及正3.3v电源相连。稳压二极管d3的正极与电容c1-3的负极与gnd相连。j4的第1引脚与接线底座p1的第5引脚相连，第2引脚与gnd相连。

如图15、图16所示，工作指示灯电路包括双色led灯led1、第二、第三电阻r2、r3和接线底座p3。led1的第1引脚与第二电阻r2的一端相连，第2引脚与正3.3v电源相连，第3引脚与第三电阻r3的一端相连。第二电阻r2和第三电阻r3的另一端分别与接线底座p3的第1、3引脚相连。

如图17所示，12v转3.3v电路包括稳压芯片power_suply1和第一、第二电容c1、c2；power_suply1的第1引脚与第一电容c1的一端以及接线底座p3的第5引脚相连，第2引脚与第一电容c1的另一端、gnd相连，第3、4引脚悬空，第5引脚与第二电容c2的一端以及正3.3v电源相连；第二电容c2的另一端与gnd相连；

如图18所示，柜锁门把手状态监测电路包括干簧管a1和第四电阻r4。干簧管a1的一端与正3.3v电源相连，另一端与第四电阻r4的一端以及接线底座p3的第2引脚相连。第四电阻r4的另一端与gnd相连。

如图19所示，柜锁门把手控制电路包括接线柱p2，二极管d1，第一电阻r1，三极管q1；三极管q1的型号为2n5551；接线柱p2的第1引脚与二极管d1的负极以及接线底座p3的第5引脚相连，第2引脚与二极管d1的正极以及三极管q1的发射极相连；三极管q1的集电极与gnd相连，基极与第一电阻r1的一端相连；第一电阻r1的另一端和接线底座p3的第4引脚相连；p2接线柱通过两个引线与门锁的电磁阀相连接，控制门锁把手的开关；同时采用电子芯片锁芯，当系统异常无法控制柜锁打开时，可以使用绑定了该锁芯的电子钥匙打开柜锁。所述接线底座p3的第1、2、3、4、5、6引脚通过排线分别与主控板上的接线底座p1的第1、2、3、4、5、6引脚相连；

gps定位模块包括gps定位模组。gps模块的vcc连接j3的第1引脚，gps模块的rx连接j3的第2引脚，gps模块的tx连接j3的第3引脚，gps模块的gnd连接j3的第4引脚；

当电磁阀通电后，电磁阀会利用磁性将锁盒内部的锁舌向上拉，柜门打开，工作指示灯亮起。检测到开锁之后，电磁阀断电失去磁性，锁舌向下掉落，关闭柜门后，锁舌会自动锁住柜门。当控制柜的柜门关闭时，门磁检测模块导通；当控制柜的柜门打开时，门磁检测模块断开。通过cpu检测门磁检测模块的导通状态确定控制柜柜门的状态。系统上电后，cpu先初始化，然后cpu初始化配置nb-iot模块，包括sim卡的通信配置。当nb-iot连接到网络后，系统会上报开机信息到云服务器，云服务器接收到开机信息后返回指令，cpu获取gps定位信息，将gps信息上传至云服务器。之后系统将处于定时循环检测柜锁开关状态和检测nb-iot的数据接收，同时每隔15分钟上报一次柜锁开关状态作为心跳包。当cpu检测到nb-iot接收到开锁指令时，cpu操纵锁控板执行开锁命令，此时控制柜的柜门会自动打开，并出现绿灯、红灯的交替闪烁，同时上报服务器开锁成功。当cpu检测到柜锁状态异常例如柜门长时间开启未关闭，cpu操纵nb-iot上传柜锁状态异常信息。温度监测模块会检测柜锁内设备的温度，出现异常状况时报警。柜门打开时若处于晚上，照明电路会自动打开。

上述说明并非对发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。