人工智能鎖無線通信技術(shù)研究
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摘要：針對傳統(tǒng)人工智能鎖存在的平均電流消耗量大以及不滿足資源和經(jīng)濟(jì)需求的問題，展開對人工智能鎖無線通信技術(shù)的研究，提出一種將物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算作為核心的人工智能鎖無線通信技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的人工智能鎖與傳統(tǒng)人工智能鎖相比，可實(shí)現(xiàn)對人工智能鎖工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制，有效降低平均電流的消耗，節(jié)約電力能源，并在一定程度上提高電池的使用壽命，具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；人工智能鎖；無線通信
引言
人工智能鎖分為兩種類型，一種是單獨(dú)型獨(dú)立門鎖，另一種是有線型智能鎖。單獨(dú)型獨(dú)立門鎖的安裝相對簡單，只是將指紋等信息儲(chǔ)存在鎖的本地存儲(chǔ)系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，因此安全系數(shù)較低。有線型智能鎖通過電纜與主控制設(shè)備相連接，將用戶信息錄入到電腦進(jìn)行用戶識(shí)別。人工智能鎖與前臺(tái)電腦必須通過聯(lián)機(jī)工作來識(shí)別身份信息，因此這種鎖的安裝較為困難。研究人工智能鎖具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在此結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算提出一種全新的人工智能鎖無線通信技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將人工智能鎖與小區(qū)的物業(yè)管理重新連接。當(dāng)人工智能鎖遭到破壞時(shí)，物業(yè)人員和住戶可在第一時(shí)間知曉。
1基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的人工智能鎖無線通信設(shè)計(jì)
1.1基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的通信方式設(shè)計(jì)
由于人工智能鎖中存在不同功能的子模塊，且各個(gè)功能模塊間不是相互獨(dú)立的，因此在設(shè)計(jì)其通信方式前要明確其相互間的調(diào)用關(guān)系[1-2]。利用移動(dòng)終端設(shè)備登錄物聯(lián)網(wǎng)，通過平臺(tái)可調(diào)用通信服務(wù)為用戶發(fā)送消息通知。登錄過程中，需要利用平臺(tái)記錄用戶的登錄時(shí)間和IP地址等信息，通過安全服務(wù)模塊分析安全信息，并給出對應(yīng)的安全策略，從而做出相應(yīng)的判斷和處理。為避免數(shù)據(jù)混亂和丟失，應(yīng)在相同的傳輸空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)與多點(diǎn)的數(shù)據(jù)聯(lián)通。數(shù)據(jù)丟失等問題多是由于無線通信傳輸過程中數(shù)據(jù)間發(fā)生了碰撞，因此只有做到一對多才能克服上述干擾問題。一對多的數(shù)據(jù)通信在類似線纜通道內(nèi)的實(shí)現(xiàn)方法包括載波監(jiān)聽多路訪問和時(shí)分復(fù)用等。其中，時(shí)分復(fù)用方法是把時(shí)間分割成相同的時(shí)間段，再把時(shí)間段細(xì)化為時(shí)隙，是數(shù)字通信常用的一種數(shù)字通信技術(shù)。在滿足定時(shí)與同步的條件下，接收端接收到信息，并確保信息間互不干擾，而信息來源是上述分割的時(shí)隙傳遞出來的。發(fā)送端向多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)時(shí)，發(fā)向各終端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)被安排在特定時(shí)隙內(nèi)。由于各終端只能接收特定時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此在介質(zhì)中傳播的合路信號(hào)會(huì)根據(jù)時(shí)隙分別被終端節(jié)點(diǎn)接收。
1.2基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的人工智能鎖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.2.1通信硬件設(shè)計(jì)MSP430F149作為16位低功耗的單片機(jī)，工作電壓為1.8～3.6V。當(dāng)主頻為1MHz，供電電壓為2.2V時(shí)，正常工作電流為280μA，待機(jī)電流為1.6μA，掉電電流為0.1μA?，F(xiàn)階段，它依靠自身低功耗和低電壓的優(yōu)勢獲得了廣泛應(yīng)用。另外，MSP430F149兼具多時(shí)鐘特點(diǎn)，包括主系統(tǒng)時(shí)鐘（MCKL）、子系統(tǒng)時(shí)鐘（SMCLK）以及輔助系統(tǒng)時(shí)鐘（ACLK）3種，與之相匹配的有3種時(shí)鐘源，即單片機(jī)內(nèi)部的DCO時(shí)鐘、外部高速晶體振蕩器（HSE）以及外部低速晶體振蕩器（LSE）。其中，MCKL的時(shí)鐘源3種均可；SMCLK的時(shí)鐘源為DCO和HSE；ACLK的時(shí)鐘源為LSE，喚醒時(shí)間短。單片機(jī)從低功耗模式喚醒僅需6μs，處理能力能力強(qiáng)，支持7種源操作數(shù)尋址和4種目的操作數(shù)尋址等多種尋址方式，擁有數(shù)量眾多的模擬指令和寄存器。主頻為6MHz時(shí)，它的指令周期僅為167ns，擁有高效的數(shù)據(jù)處理能力。
1.2.2通信軟件設(shè)計(jì)IAREmbeddedWorkbenchIDE是一款高度集成優(yōu)化的C/C++編輯器、編譯器以及匯編器，提供工程管理、調(diào)試及下載等常用嵌入式軟件開發(fā)必備的工具。為適用于市面上大部分的處理器，嵌入式IAREmbeddedWorkbench推出大量的衍生版本，使得市面上大部分處理器包括8位、16位以及32位的微處理器和微控制器都可以在IAR中找到相應(yīng)的支持版本。用戶在使用其他處理器開發(fā)新項(xiàng)目時(shí)，也可以在以前熟悉的環(huán)境中進(jìn)行，大大縮短了開發(fā)周期。但是，IAREmbeddedWorkbench的各個(gè)版本并不是互相兼容的，使用時(shí)要稍加注意。本設(shè)計(jì)使用的是IAREmbeddedWorkbenchIDEforMCS-518.10版本。
1.3人工智能鎖無線聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)定
人工智能鎖無限聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)定有助于幫助用戶通過移動(dòng)設(shè)備與門鎖建立通信聯(lián)系。采用應(yīng)答式的通信協(xié)議類型，將人工智能鎖作為發(fā)起指令的一方。通常情況下，人工智能鎖處于“休眠—工作—休眠”的循環(huán)狀態(tài)中[3]。當(dāng)人工智能鎖處于工作狀態(tài)時(shí)，首先使其作為發(fā)起指令方將相應(yīng)的指令發(fā)送到基站。其次，由基站將指令發(fā)送到用戶的移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)用戶接收到相關(guān)指令數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果反饋到基站。最后，基站將最終的指令結(jié)果返回到人工智能鎖。為提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕捎肳AP-PSK/AES無線網(wǎng)絡(luò)加密方式對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行特定的加密處理。無線通信數(shù)據(jù)傳輸模式主要包括透明傳輸和協(xié)議傳輸兩種。透明傳輸指將原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行傳輸，傳輸過程中未對其做任何處理；協(xié)議傳輸指原始數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議格式進(jìn)行加密，然后傳輸處理過的數(shù)據(jù)。人工智能鎖無線聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為指令幀和應(yīng)答幀兩部分。在指令幀和應(yīng)答幀格式中，幀頭表示為一幀數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)，幀序列表示為一個(gè)0～0xFF的循環(huán)往復(fù)，起始/目的設(shè)備ID表示為發(fā)送指令的基站或人工智能鎖的實(shí)際位置ID，幀尾表示為一幀數(shù)據(jù)的終止點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸過程雖然復(fù)雜且數(shù)據(jù)幀變大，但誤碼率低，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)安全傳輸。
1.4人工智能鎖服務(wù)器集群通信平臺(tái)
針對人工智能鎖的服務(wù)器集群方式，采用結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)化方案，構(gòu)建以應(yīng)用層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及數(shù)據(jù)層為主要結(jié)構(gòu)的通信平臺(tái)。構(gòu)建的人工智能鎖服務(wù)器集群通信平臺(tái)與傳統(tǒng)通信平臺(tái)相比，在應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層中添加了數(shù)據(jù)服務(wù)層，架構(gòu)更加清晰。將人工智能鎖中較為分散的應(yīng)用功能代碼集中在儀器，并通過數(shù)據(jù)服務(wù)層進(jìn)行統(tǒng)一化管理，進(jìn)一步提高了通信代碼的質(zhì)量，降低了智能鎖相關(guān)功能的維護(hù)成本。平臺(tái)中還增加了對門鎖的遠(yuǎn)程控制功能，用戶利用通信平臺(tái)可通過移動(dòng)通信設(shè)備遠(yuǎn)程控制人工智能鎖，降低了門鎖電流的消耗。當(dāng)檢測到門鎖的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生異常變化時(shí)，平臺(tái)通過數(shù)據(jù)分析可判斷此時(shí)門鎖是否存在非法損壞情況。當(dāng)檢測到相關(guān)問題時(shí)，可實(shí)時(shí)向用戶的移動(dòng)通信設(shè)備發(fā)送信息，使用戶在第一時(shí)間充分掌握門鎖的狀態(tài)并及時(shí)做出處理，防止用戶人身安全和財(cái)產(chǎn)安全受到侵害。
2實(shí)驗(yàn)論證分析
2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
為驗(yàn)證所提的通信方式的實(shí)用性，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，并將其與傳統(tǒng)的人工智能鎖的通信方式進(jìn)行比較。為比較兩種通信方式下人工智能鎖的功耗，選擇某品牌干電池供電類型的門鎖。實(shí)驗(yàn)過程中，為更符合居民的日常生活，保障兩組門鎖的平均電流在220μA以下。采用有源以太網(wǎng)的方式將門鎖與基站相連，從而減少其他功耗問題對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為方便對此通信方式的測試，準(zhǔn)備A、B、C、D共4把完全相同的門鎖模擬真實(shí)的運(yùn)行，其中A和B采用提出的無線通信方式（設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組），C和D采用傳統(tǒng)通信方式（設(shè)置為對照組）。
2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成對比實(shí)驗(yàn)，記錄兩組人工智能鎖在運(yùn)行過程中接收、發(fā)送以及休眠時(shí)的電流數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出平均通過電流的大小，對比結(jié)果如表1所示。從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對照組的人工智能鎖在正常工作狀態(tài)下的平均電流均小于210μA標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)驗(yàn)組明顯小于對照組，在接收指令、發(fā)送指令以及休眠狀態(tài)下的電流均小于對照組。對比實(shí)驗(yàn)證明，基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的人工智能鎖無線通信方式可以有效降低人工智能鎖的電流消耗，節(jié)省更多的電力能源，并進(jìn)一步提高了電池的使用壽命，在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
3結(jié)論
通過對人工智能鎖無線通信技術(shù)的研究，將物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于通信過程，不僅可以使用戶通過移動(dòng)通信設(shè)備隨時(shí)隨地查看門鎖狀態(tài)、進(jìn)出情況以及用戶的進(jìn)出記錄等信息，而且可以實(shí)現(xiàn)對人工智能鎖的遠(yuǎn)程控制，最大程度上方便用戶?；谖锫?lián)網(wǎng)與云計(jì)算的人工智能鎖具備更高的安全性能，當(dāng)門鎖遭到破壞時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)可以第一時(shí)間將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到用戶的移動(dòng)通信終端，用戶在接收到信息后可立即做出反應(yīng)，防止損失進(jìn)一步增加。可見，該通信技術(shù)具有良好的市場應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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作者：張磊 吳穎 單位：北京合眾偉奇科技有限公司
