一種新型的酒店門(mén)禁系統(tǒng)

樊 歡, 郭家虎, 張 賽

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

一種新型的酒店門(mén)禁系統(tǒng)

樊 歡, 郭家虎, 張 賽

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和ARM嵌入式技術(shù)解決了門(mén)鎖終端節(jié)點(diǎn)與酒店管理服務(wù)器的通信問(wèn)題。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧Z-Stack的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的酒店門(mén)禁系統(tǒng),選用CC2530協(xié)調(diào)器和高性能讀卡芯片MFRC522,使系統(tǒng)具有IC卡無(wú)線識(shí)別和服務(wù)管理的功能。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立,可以減少大量布線帶來(lái)的成本。測(cè)試結(jié)果表明,方案適用于酒店門(mén)禁系統(tǒng)的管理,可以提高酒店員工的工作效率和服務(wù)水平。

物聯(lián)網(wǎng); 酒店; 門(mén)禁系統(tǒng); ZigBee技術(shù)

0 引 言

隨著酒店服務(wù)行業(yè)的不斷發(fā)展,門(mén)禁系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大的變化。門(mén)鎖管理趨于智能化,不僅提高了門(mén)禁系統(tǒng)的安全,也方便獲取人員進(jìn)出的信息[1]。傳統(tǒng)的酒店門(mén)禁系統(tǒng)采用大量的布線,每個(gè)房間與主控制器之間都需要采用線纜相接,設(shè)備安裝與維修困難[2]。門(mén)禁系統(tǒng)采用接觸式IC卡[3],容易磨損,數(shù)據(jù)容易丟失,安全性較低[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的酒店門(mén)禁系統(tǒng),將ZigBee無(wú)線技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合在一起。在該系統(tǒng)中所有房間及樓層可集中管理,控制中心可實(shí)時(shí)顯示開(kāi)門(mén)記錄,提高了酒店的安全性。其自檢功能可及時(shí)將故障信息傳送至管理人員,減少了人力維護(hù)成本[5]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成,一部分是CC2530構(gòu)成的門(mén)鎖終端,另一部分是ARM嵌入式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)(Access Point,AP)。兩者之間采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

AP用于接收門(mén)鎖終端的消息并與酒店管理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6],包括ARM芯片S3C2440A、CC2530協(xié)調(diào)器、節(jié)點(diǎn)欠電壓檢測(cè)模塊、節(jié)點(diǎn)電源管理模塊、液晶顯示模塊、以太網(wǎng)控制模塊。協(xié)調(diào)器用來(lái)建立ZigBee無(wú)線網(wǎng),處理網(wǎng)絡(luò)信息,傳遞終端與AP之間的信息。節(jié)點(diǎn)欠電壓檢測(cè)模塊用于檢測(cè)AP的電源狀態(tài)。以太網(wǎng)控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接到管理服務(wù)器。

門(mén)鎖終端與AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān),提供服務(wù)接口,主要包括CC2530、紅外檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、按鍵電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、指示電路,射頻卡讀寫(xiě)模塊。其中CC2530是微控制單元(Micro Controller Unit,MCU),紅外檢測(cè)電路用來(lái)監(jiān)測(cè)是否有卡,若有卡,將啟動(dòng)讀卡器。讀卡器用于接收并處理卡的信息。門(mén)鎖終端采用6 V干電池供電。電壓檢測(cè)電路檢測(cè)系統(tǒng)的供電電壓,當(dāng)處于低電壓時(shí)報(bào)警。按鍵電路連接為用戶(hù)提供服務(wù)的按鍵,一旦按下按鍵,客房管理中心便會(huì)安排相應(yīng)的服務(wù)人員為其提供服務(wù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與鎖體相連,用來(lái)控制門(mén)鎖的開(kāi)/關(guān)門(mén)。指示電路有聲音和燈光的指示,在刷卡或按鍵時(shí)提示用戶(hù)成功與否。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)今,酒店的規(guī)模較大,為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性及減少消息延時(shí),協(xié)調(diào)器、路由器、終端之間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]連接。網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立,終端入網(wǎng)時(shí)向協(xié)調(diào)器提出請(qǐng)求,協(xié)調(diào)器會(huì)為其分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

2 硬件設(shè)計(jì)

門(mén)鎖終端與AP采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。ZigBee協(xié)議是一種短距離無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議,具有通信數(shù)據(jù)量不大、低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn),已成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的最佳選擇,并且適用于電池供電的系統(tǒng)。門(mén)鎖終端的MCU采用CC2530,同時(shí)CC2530也是ZigBee通信的基礎(chǔ)。CC2530集單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、無(wú)線通信模塊于一體,支持ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4,并且具有性能高、價(jià)格低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.1 讀卡及天線電路

讀卡器通過(guò)天線來(lái)接收卡的信息,并將讀取到的信息傳送給CC2530。讀卡芯片采用MFRC522,可以與現(xiàn)在流行的MIFARE卡進(jìn)行通信,讀取信息。MFRC522具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[9]。MFRC522與CC2530通過(guò)四線制SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在MFRC522與MIFARE卡進(jìn)行通信時(shí),讀寫(xiě)器通過(guò)天線向MIFARE卡發(fā)一組頻率為13.56 MHz的電磁波。MIFARE卡片內(nèi)部是一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路,其頻率也為13.56 MHz。在電磁波的激勵(lì)下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,當(dāng)達(dá)到一定電量時(shí)其內(nèi)部電容可做為電源,為卡內(nèi)其他電路提供工作電壓,將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去,完成MFRC522與MIFARE卡的通信。MFRC522及天線驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 MFRC522及天線驅(qū)動(dòng)電路

圖2中,通過(guò)計(jì)算可得

式中:Rant、Lant——天線的阻抗和容抗。

2.2 電源模塊與電壓檢測(cè)電路

電源模塊與電壓檢測(cè)電路如圖3所示,芯片采用ME6209A33,終端系統(tǒng)采用4節(jié)干電池供電。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,設(shè)置UCC低于臨界電壓時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。CC2530具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,PD0連接在CC2530有A/D轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上,R1和R2組成分壓電路。報(bào)警時(shí),PD0電壓低于0.8 V。

圖3 電源模塊及電壓檢測(cè)電路

2.3 紅外檢測(cè)電路

紅外檢測(cè)電路用于檢測(cè)是否有卡,有卡時(shí)啟動(dòng)讀卡器,避免持續(xù)啟動(dòng)讀卡器帶來(lái)的大電量損耗。門(mén)鎖終端每0.5 s發(fā)射一次紅外線,當(dāng)有卡片靠近門(mén)鎖時(shí),LED會(huì)接收到反射的紅外線。紅外檢測(cè)電路如圖4所示。此時(shí)LED導(dǎo)通,運(yùn)算放大器的引腳2由3.3 V變?yōu)? V,PD1由0變?yōu)?,CC2530啟動(dòng)讀卡器。

圖4 紅外檢測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack 引入了操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),它是一種基于事件驅(qū)動(dòng)的輪詢(xún)式操作系統(tǒng),通過(guò)taskevent指針訪問(wèn)事件表不斷地查詢(xún)是否有事件發(fā)生,如果有,則查找函數(shù)表,找到事件處理函數(shù)進(jìn)行處理,處理完成后繼續(xù)查看是否有事件發(fā)生,如此循環(huán)。

在SampleApp_ProcessEvent中添加了系統(tǒng)事件、電量檢測(cè)事件、低電量事件、紅外檢測(cè)事件、清除標(biāo)志事件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)事件。系統(tǒng)事件用于處理系統(tǒng)消息,消息類(lèi)型包括按鍵改變、接收到消息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變。電量檢測(cè)事件每5 s檢測(cè)一次電量,當(dāng)電量低于臨界值時(shí),進(jìn)入低電量事件。需要開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)事件。刷卡時(shí)進(jìn)入紅外檢測(cè)事件。清除標(biāo)志事件用于清除房間的狀態(tài)標(biāo)識(shí),主要用在服務(wù)類(lèi)型的卡刷過(guò)門(mén)鎖之后。

3.2 射頻識(shí)別的軟件設(shè)計(jì)

CC2530通過(guò)對(duì)MFRC522寄存器的控制來(lái)改變MFRC522的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)紅外檢測(cè)到卡存在時(shí),CC2530開(kāi)始對(duì)MFRC522進(jìn)行初始化,執(zhí)行MFRC522任務(wù)程序,完成后MFRC522進(jìn)入休眠。當(dāng)在有效范圍內(nèi)接收到M1卡的信息時(shí),CC2530向MFRC522發(fā)出尋卡命令,讀寫(xiě)器以特定的協(xié)議與卡片通信,確定是否為MIFARE射頻卡,以驗(yàn)證卡片類(lèi)型。CC2530再發(fā)出防沖突命令,從中選擇一張卡片,并返回卡片信息。此后發(fā)出選定卡片、驗(yàn)證密鑰等命令,若密鑰驗(yàn)證成功則開(kāi)門(mén),并向CC2530返回信息[10]。MFRC522程序執(zhí)行流程如圖5所示。 門(mén)鎖終端中的MIFARE卡密碼由AP發(fā)送至終端CC2530的Flash ROM中,讀卡器進(jìn)行ID號(hào)和密碼驗(yàn)證時(shí)從終端的Flash中讀取信息并進(jìn)行驗(yàn)證。在兩次驗(yàn)證中,任何一次的驗(yàn)證失敗都會(huì)跳出MFRC522任務(wù)執(zhí)行程序,并返回非法開(kāi)門(mén)的信息。驗(yàn)證成功后,根據(jù)卡的ID讀取卡類(lèi)型。為了門(mén)鎖管理的安全與便捷,在程序中設(shè)置了一個(gè)變量,顯示房間狀態(tài);終端程序可將房間設(shè)置在不同的狀態(tài)下,用其相應(yīng)的M1卡打開(kāi)門(mén)鎖。

圖5 MFRC522程序執(zhí)行流程

3.3 門(mén)鎖終端對(duì)信息的處理

在ZigBee協(xié)議棧中,數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)要調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)[11],并調(diào)用協(xié)議棧與硬件相關(guān)的函數(shù),通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;接收端接收到數(shù)據(jù)時(shí),將其封裝成消息并放入消息隊(duì)列,調(diào)用osal_msg_receive()從消息隊(duì)列接收消息,判斷事件類(lèi)型,并調(diào)用相應(yīng)任務(wù)處理函數(shù)對(duì)消息進(jìn)行處理。

門(mén)鎖終端加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),協(xié)調(diào)器會(huì)為其分配一個(gè)16位的短地址,然后終端會(huì)將該短地址發(fā)送給AP。這樣,AP就可以向指定的門(mén)鎖終端發(fā)送信息。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)事件、低電量事件、紅外檢測(cè)事件、清除標(biāo)志事件時(shí),門(mén)鎖終端向AP發(fā)送信息。例如,當(dāng)紅外檢測(cè)到有卡并且刷卡結(jié)束后,MFRC522將刷卡信息返回至CC2530;CC2530將信息組合通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器再將其發(fā)送給AP。消息的結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示從數(shù)據(jù)長(zhǎng)度到卡類(lèi)型的總字節(jié)數(shù)。命令類(lèi)型是由發(fā)生事件所確定。目標(biāo)設(shè)備短地址為協(xié)調(diào)器為其分配的16位短地址。房間號(hào)在終端加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由客房管理中心設(shè)定?？?lèi)型、卡號(hào)是MFRC522讀取的卡信息,非法開(kāi)門(mén)也會(huì)將卡號(hào)、卡類(lèi)型上傳至客房管理中心,以便對(duì)客房進(jìn)行安全監(jiān)控。

圖6 消息的結(jié)構(gòu)

4 安全管理

門(mén)鎖的安全是設(shè)計(jì)門(mén)禁系統(tǒng)首先要考慮的問(wèn)題。相比有線網(wǎng)絡(luò),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更容易受到監(jiān)聽(tīng)、攻擊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)密鑰管理一般采用CCM-AES加密[12]。添加IBE加密方法,加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)安全性的監(jiān)控和控制,提高了ZigBee設(shè)備身份識(shí)別的能力。當(dāng)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全時(shí),在文件f8wConfig.cfg中將預(yù)處理標(biāo)志位SECURE置為1。defaultKey[SEC_KEY_LEN]中存放網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)密碼,修改默認(rèn)密碼時(shí)要保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)密碼相同。經(jīng)常更新網(wǎng)絡(luò)密鑰會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性,當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)時(shí),ZigBee網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)密鑰進(jìn)行更新,以便維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全。密碼更新需調(diào)用ZDSecMgrUpdateNwkKey()和ZDSecMgrSwitchNwkKey()。在ZigBee協(xié)議棧中,為了防止網(wǎng)絡(luò)在信道上的沖突,可以采用跳頻技術(shù),使協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)不沖突的信道。

5 系統(tǒng)測(cè)試

將門(mén)鎖終端與電機(jī)和4節(jié)干電池相連,安裝在門(mén)鎖鎖體內(nèi)部,在距離門(mén)鎖100 m內(nèi)安置AP。通過(guò)AP,可設(shè)置每個(gè)門(mén)鎖的房間號(hào),完成定期預(yù)訂、退房、按鍵、刷卡、測(cè)試門(mén)鎖狀態(tài),記錄電量報(bào)警時(shí)間。經(jīng)測(cè)試,門(mén)鎖系統(tǒng)可以按照設(shè)置的協(xié)議執(zhí)行,4節(jié)干電池可供門(mén)禁終端正常使用半年以上。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用低功耗、高性能的CC2530與低功耗、小體積的讀卡芯片MFRC522相結(jié)合的方式,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功率,減小系統(tǒng)的體積,保障門(mén)鎖終端高效、持久、穩(wěn)定的運(yùn)行。門(mén)鎖終端與AP之間采用ZigBee通信,降低了系統(tǒng)的通信及運(yùn)營(yíng)成本,使系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)還可擴(kuò)展為房間設(shè)備管理系統(tǒng)等智能化管理系統(tǒng),使酒店的管理更趨于智能化。

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A New Hotel Entrance Guard System

FAN Huan, GUO Jiahu, ZHANG Sai

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

By using ZigBee wireless sensor network and ARM embedded technology,the communication problems between lock terminal nodes and hotel management server were solved.Based on the ZigBee standard protocal stack of Z-Stack,a new hotel entrance guard system was proposed.By use of CC2530 and the high-performance MFRC522 chip card reader,the system has the functions of the IC card wireless identification and service management.The establishment of ZigBee wireless sensor network can reduce a large number of wiring cost.The test results show this scheme is applicable to the management of the hotel entrance guard system,which can improve the work efficiency and service level of the hotel staff.

Internet of Things; hotel; entrance guard system; ZigBee technology

樊 歡(1988—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)控制。

2014-11-07

TN 919.72

A

1674-8417(2015)03-0051-05

郭家虎(1988—),男,教授,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制。

張 賽(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。