【应用】一种具备快速OTA升级机制的ZigBee智能门锁解决方案，支持便捷配网

时间： 2019-08-02 来源：世强

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目前主流智能门锁中，为了延长待机时间，大部分都会选择ZigBee作为无线通信协议，相比于BLE以及WIFI，从功耗角度来看（蓝牙功耗约20mA，WIFI 功耗约10-50mA，ZigBee约5mA），ZigBee协议的智能门锁工作时间更长，并且ZigBee协议支持Mesh网络，方便扩展，因此更加适用于智能家居系统。ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率无线网络通信协议，工作频率2.4G，传输速率约100Kbps，且ZigBee门锁设备作为终端设备，大部分时间处于休眠状态（目的是为了延长待机时间），实际传输速率远远低于100Kbps。ZigBee门锁程序大小约500Kb（ZigBee本身固件+MCU程序固件）左右，普通OTA机制升级时间传输时间可能就要超过24小时以上，升级协议复杂，升级持续时间长，严重影响用户体验；此外，传统ZigBee门锁入网，需要同时操作网关和设备，保证门锁设备处于请求加网状态、网关处于允许加网状态，门锁才能加网成功，操作繁琐，也影响用户体验。

结合目前新技术新方案的发展，本方案提出一种用于解决ZigBee智能门锁不能支持OTA升级或者OTA升级速度太慢，以及配网不便捷等一系列导致智能门锁用户体验不佳问题的系统解决方案，且不增加硬件成本，不变更结构件，功耗除升级过程中有稍微增长，待机周期不会受影响，有极强的商用价值。

而目前ZigBee门锁由于受其Zigbee IC 硬件资源局限性，为了扩展门锁的功能，往往还需要增加一颗MCU芯片，门锁主要架构如下图1所示，MCU主要用于实现用户管理、密码开锁、指纹对比、屏幕显示，语音提示，矩阵键盘等功能，而ZigBee芯片主要用于ZigBee网络维护，数据传输等功能，这样既能最大限度的节省整机功耗也能更大程度的支持门锁功能扩展。

基于上述硬件架构，我们简单介绍上述两个芯片功能
（1）ZigBee芯片：外接Flash（也可以省略，如果无OTA需求）运行ZigBee协议栈，在网关和MCU之间建立数据传输通道；
（2）MCU芯片：外接Flash，指纹模组，显示屏，蜂鸣器，NFC，按键等外设；

基于以上架构和本身方案的不足，我们提出如下优化方案：由于ZigBee与BLE均基于2.4GHz，硬件可以共用，拟采用ZigBee与BLE分时运行在相同的硬件平台（此方案，SILICON LABS EFR32 系列产品已经实现）来优化上述的门锁软件架构，如下图2所示：

其中，ZigBee与BLE分时运行，共用天线和其他硬件资源，基于以上架构，我们从OTA升级机制以及优化配网来提升智能门锁的用户体验。

优化OTA升级机制：
传统的ZigBee智能门锁，采用ZigBee 的方式传输OTA升级包，传输速度慢，受环境影响大，并且容易丢包，代码逻辑实现复杂，基于图2的改进型架构，升级流程如下图3所示：正常工作状态，为了节省功耗，只有ZigBee协议栈在运行，当门锁设备接收到来自网关的消息，云端有新的升级策略时，或者手机APP主动要求升级时，ZigBee启动唤醒BLE，两者分时运行，BLE初始化完成后，BLE与手机APP重新建立连接，然后按照通信协议从手机端获取智能门锁的升级文件（包含ZigBee部分、BLE部分和MCU部分，升级文件可以是三者，也可以是其中的任意组合），将升级文件存储至Flash1，升级文件接收完成之后，校验升级包文件，校验通过，如果有MCU升级文件，则通过串口的方式将MCU升级文件传输至Flash2，然后系统重启，进双方Boot，搬运升级文件，升级完成之后，系统重启，确认升级成功之后，将升级成功的消息推送手机APP，并重新进入ZigBee运行，BLE睡眠的状态，等待下次升级策略下发或者其他事件唤醒BL协议栈运行。

增强配网体验
传统的门锁加网方式，需要用户需要通过APP或者操作网关，设置网关进入允许加网模式，然后操作Zigbee门锁进入请求加网模式，门锁与网关通过交互、确认、认证后，两者建立网络连接，但此过程往往受周围环境（路由器、其他网关、设备的干扰）干扰影响严重导致设备加网失败，需要用户重复操作，影响用户体验。改进型加网方式，借助于BLE，在门锁加网成功之前，ZigBee与BLE分时运行，手机APP可通过NFC或者扫码的方式与门锁建立蓝牙连接，然后获取门锁的MAC地址，将该MAC地址通过云端（或者局域网）传输给网关，网关自动进入允许加网模式，同时BLE控制ZigBee进入请求加网模式，门锁与网关即可通过交互、确认、认证后，建立网络连接。如果一次不成功，且超时，最多可重复三次此过程，直到网关和门锁绑定成功。绑定成功之后，BLE主动断开与APP的连接，同时进入休眠状态；此方式，全程无需用户参与，只需用户扫描设备二维码或者通过NFC，即可完成智能ZigBee门锁与网关的网络连接，方便便捷，且大大提升用户体验。

Silicon Labs 2.4GHz 多协议无线SOC EFR32 系列产品，采用高性能ARM Cortex-M4 内核，带有DSP 指令集和FPU 浮点运算单元。产品可支持Zigbee 和BLE 协议，2.4GHz 和Sub-GHz双模无线收发器。免费提供稳定的协议栈及辅助插件，以简单的图形化界面展示，开发方便快捷。保证性能的同时降低射频部分硬件的开发难度。该系列相同封装产品，完全Pin To Pin 兼容，提高设计灵活性和兼容性。

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型号- EFR32MG26,EFR32MG26B520F3200IM48-A,EFR32MG26B410F3200IM68-A,EFR32MG26B210F3200IM48-A,EFR32MG26B410F3200IM48-A,EFR32MG26B420F3200IM68-A,EFR32MG26B310F3200IL136-A,EFR32MG26B420F3200IM48-A,EFR32MG26B220F2048IM68-A,EFR32MG26B220F3200IM48-A,EFR32MG26B210F2048IM68-A,EFR32MG26B510F3200IL136-,FR32MG26B520F3200IM68-A,EFR32MG26B510F3200IM48-A,EFR32MG26B520F3200IM68-AR,EFR32MG26B510F3200IM68-A

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Pin Count

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Output Power Range (dBm)

Temperature Range (ºC)

Package Type

Package Size(mm)

EFR32BG24B110F1536IM48-B

Bluetooth®Wireless SoC

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-20 to 10

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