基于NB-IoT的低功耗智能光交箱门控系统设计

随着物联网技术的成熟及NB-IoT技术的出现，光交箱的智能管理也有了更好的解决方案。将现有的光交箱进行智能化改造，增加智能电子锁和智能监控终端，并通过NB-IoT网络将数据实时上传至服务器，实现对光交箱设备的智能化管理和监控[1]。

1 系统架构

智能光交箱管理系统在传统的光交箱基础上，集成了门磁/行程开关、电子门锁、温湿度传感器、水浸传感器等前端感知设备，利用NB-IoT模组将光交箱的各项信息实时传到物联网平台（监控中心），监控中心通过短信或者给相关移动终端APP发指示信息来告知光交箱巡视人员进行维护管理，从而实现对光交箱的实时全面的监控管理[2]。

2 智能终端硬件电路设计

系统通过智能终端采集光交箱相关数据，终端中包含各种传感器，如温湿度传感器、电压监测传感器、振动传感器、浸水监测传感器、门磁/行程开关传感器等，将其监测采集到的数据通过NB-IoT模组传输到服务器进行处理。

2.1 主控芯片电路

终端选用STM32F103C8T6芯片，该芯片基于ARM Cortex-M内核，程序存储容量64 kB，需要电压2~3.6 V，工作温度﹣40~85 ℃，支持定时器，ADC，SPI，I2C，USART等多种外设，可充分满足需求。系统采用8 M外部晶振为单片机提供稳定的时钟频率。芯片部分原理如图1所示。

2.2 电源管理模块

电源管理模块的设计是整个电路设计的重点之一。电路支持5 V和3.8 V供电，由于单片机和NB-IoT模组的工作电压均为3.3 V，因此需要设计电压转换电路。在电源输入输出需要添加稳压和滤波电容作为电源电路的保护。电源模块原理如图2所示。

2.3 通信模组及射频电路

终端中嵌入NB-IoT模组及天线和SIM卡座，对于天线接口的外围电路设计，为了能够更好地调节射频性能，预留π型匹配电路，π型匹配电路原件应尽量靠近天线放置，且需要根据实际情况选贴。为了确保射频信号的良好性能与可靠性，在电路设计中建议遵循以下设计原则。

图1 主控芯片原理

图2 电源模块原理

（1）应使用阻抗模拟计算工具对射频信号线进行精确的50 Ω阻抗控制。

（2）与射频引脚相邻的GND引脚不做热焊盘，要与地充分接触。

（3）射频引脚到RF连接器之间的距离应尽量短，同时避免直角走线，建议的走线夹角为135度。

（4）连接器件封装建立时要注意，信号脚离地要保持一定距离。

（5）射频信号线参考的地平面应完整，在信号线和参考地周边增加一定量的地孔可以帮助提升射频性能，地孔和信号线之间的距离应至少为2倍线宽（2×W）。

2.4 相关技术指标

智能终端技术指标如表1所示

表1 智能终端技术指标

3 系统软件设计

智能门控系统支持多种功能，包括实时监测电压、温度、箱门状态、震动、倾斜、水浸等箱体状态，将获取到的信息实时上报到服务器，有异常情况实时报警。智能门控终端集成有一个电子锁具、多种传感器、一个单片机控制单元（Microcontroller Unit，MCU）、NB-IoT通信模块和电源管理模块等部分，电子锁具可通过APP和电子钥匙两种方式开锁，传感器用于光交箱箱体信息数据的采集，采集到的信息发送至单片机进行处理和上报，单片机处理后通过NB-IoT模块发送至服务器，数据最终可通过网管客户端软件或手机APP软件显示，异常告警信息可通过网管客户端、手机APP以及短信推送给光交箱管理者。

终端系统主程序主要包括系统初始化、中断向量判断、子函数调用等部分组成。系统初始化主要包括看门狗定时器初始化、传感器数据读取端口初始化、串口初始化、定时器初始化等。系统初始化完成之后会进入休眠模式等待中断发生，当系统监测到有中断发生时，系统从休眠模式唤醒进入正常工作状态，判断触发中断的中断向量，并根据中断状态完成相应操作。以门磁开关传感器为例，门磁开关用于检测光交箱门的开关状态，当门磁状态有变化时会相应产生一个电平状态的变化，MCU监测到电平变化会进入中断，将电平状态数据进行识别处理，将数据打包成NB-IoT模组可以识别的AT指令，通过NB-IoT网络发送到服务器再由服务器做相应处理[3]。智能终端可支持门磁/行程开关传感器、浸水监测传感器、电压监测传感器、温湿度传感器、倾斜传感器等多种传感器，应用时可根据需要增加或移除相应的传感器。

由于系统采用电池供电，因此，在软件设计方面需要使终端大部分时间处于休眠模式以降低功耗。功耗方面该芯片有3种低功耗模式，分别是睡眠模式、停止模式和待机模式，在这3种模式下功耗分别为9 μA、0.57 μA和0.3 μA。单片机在大部分时间处于停止模式，当传感器获取到异常数据时通过单片机的某些引脚将单片机唤醒，单片机将传感器传来的数据进行处理后再打包通过串口发送给NB-IoT模组。

4 结语

该系统设计合理，采用了最适合应用于物联网小数据量且低功耗的NB-IoT传输技术，可解决目前传统光交箱管理难度大、成本高等问题，因此具有良好的市场前景，目前已在山东、河南等多个地市安装应用。