基于ZigBee的無線聯(lián)網(wǎng)門鎖設(shè)計(jì)

王金龍+應(yīng)時(shí)彥+周澤育

摘 要：為滿足門禁系統(tǒng)的高安全性、低功耗、安裝便捷等要求，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)無線門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了無線聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)中的基站、無線門鎖電路，完成了相應(yīng)軟件的開發(fā)及管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)特別針對(duì)無線門鎖低功耗的要求進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，因而大大降低了門鎖電量的損耗，有效延長(zhǎng)了電池的使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)性能可靠、功耗低，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線門鎖；低功耗；無線聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

門禁系統(tǒng)作為一種管理人員進(jìn)出的數(shù)字化管理系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用在智能大廈、辦公室、賓館、工廠等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)按照布線方式的不同可以分為兩種類型：有線門禁系統(tǒng)與離線門禁系統(tǒng)。有線門禁系統(tǒng)通過到每個(gè)門點(diǎn)進(jìn)行布線來實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，穩(wěn)定性比較高，但存在線纜眾多，施工安裝麻煩，成本高等問題；離線門禁系統(tǒng)雖省去了有線門禁的布線問題，但由于其無法實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)并監(jiān)控門禁系統(tǒng)狀態(tài)，安全性較低，只適合在一些對(duì)安全性要求不高的場(chǎng)合[1]。因此，設(shè)計(jì)出一款基于無線通訊的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)，對(duì)減少門禁系統(tǒng)布線量，提升現(xiàn)有門禁系統(tǒng)的美觀性、安全性與智能化水平有著重要的意義。

ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4[3]標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的低速率、短距離、低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]、安防[5]等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。與藍(lán)牙、WiFi等其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，ZigBee在功耗方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用在電池供電的、對(duì)低功耗要求特別高的無線門禁系統(tǒng)中。具有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee技術(shù)的無線門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TI（德州儀器）公司的CC2530[6]為主控芯片，基站與無線門鎖通過ZigBee技術(shù)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)通信和對(duì)門鎖的控制。配合門禁管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)查看門禁系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、管理人員進(jìn)出權(quán)限、查詢?nèi)藛T的進(jìn)出記錄等功能。系統(tǒng)既繼承了有線門禁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了有線門禁系統(tǒng)中存在的復(fù)雜布線問題。滿足了當(dāng)今市場(chǎng)對(duì)于無線門禁系統(tǒng)的需求。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，它具有體積小、成本低、功耗低和速率低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在低功耗待機(jī)模式下，采用兩節(jié)5號(hào)干電池供電的節(jié)點(diǎn)可以工作6到24個(gè)月。ZigBee的這種低功耗特性非常適合在使用電池長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行供電的無線門禁系統(tǒng)中使用。

ZigBee支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、樹型和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個(gè)終端設(shè)備只能跟協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方便、數(shù)據(jù)延遲小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)少、范圍小的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的終端設(shè)備和其他設(shè)備通訊需要通過上一級(jí)設(shè)備代為接收或轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合不是很多。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種多跳傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)中的路由器相互路由接力轉(zhuǎn)發(fā)，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大大增加。而且其還具有自組織、自愈合、防碰撞、一對(duì)多、多對(duì)一的發(fā)送方式，可靠性高，使得網(wǎng)狀網(wǎng)普遍應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、傳輸延時(shí)較大，對(duì)路由器的數(shù)據(jù)處理能力要求較強(qiáng)。主要應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大的場(chǎng)景中，如智能樓宇中環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)[8，9]。

2 門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)一般應(yīng)用在酒店、宿舍、寫字樓等場(chǎng)合，門的節(jié)點(diǎn)數(shù)量基本固定，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中等，綜合考慮后期維護(hù)和整體成本，采用ZigBee的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行無線組網(wǎng)。根據(jù)不同環(huán)境合理布置基站，可以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求。

無線門禁系統(tǒng)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由基站、無線門鎖和門禁管理軟件三部分組成。基站和門禁管理軟件所在電腦都通過以太網(wǎng)接入到同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，門禁管理軟件采用B/S架構(gòu)，軟件通過TCP/IP方式與基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，基站與無線門鎖通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基站作為全功能設(shè)備FFD（Full Function Device），是重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，具有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互、無線組網(wǎng)、無線通信等功能。通過TCP/IP協(xié)議，基站與門禁管理軟件完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的任務(wù)。經(jīng)過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，基站完成無線組網(wǎng)和與相應(yīng)的無線門鎖通信的任務(wù)。

無線門鎖作為精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device），負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制門鎖的功能，同時(shí)也必須保障安全穩(wěn)定的性能。在無線網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，保持與基站之間實(shí)時(shí)通信，及時(shí)完成門禁管理軟件下達(dá)的指定任務(wù)。在離線狀態(tài)，依然能夠保證門鎖正常工作。所有開門記錄都將保存至無線門鎖和基站的存儲(chǔ)單元中。

門禁管理軟件是用來對(duì)整個(gè)無線門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理的，由數(shù)據(jù)庫(kù)，Web服務(wù)器，通訊軟件三個(gè)部分組成。其中數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)來對(duì)整個(gè)無線門禁系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。Web服務(wù)器是門禁管理軟件的核心部分，通過Web服務(wù)器提供的服務(wù)，用戶可以通過瀏覽器登錄系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理。如實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖下載數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制門鎖，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)門鎖節(jié)點(diǎn)的人員進(jìn)出情況、開關(guān)門狀態(tài)信息，電池電量信息等功能。通訊軟件負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中所有的基站進(jìn)行通信，根據(jù)通訊協(xié)議下發(fā)指定的數(shù)據(jù)給基站。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 基站設(shè)計(jì)

基站硬件主要分為以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊、射頻模塊、存儲(chǔ)模塊和指示模塊四個(gè)模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基站硬件結(jié)構(gòu)圖

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊采用嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，體積小，并能十分便捷地完成以太網(wǎng)與串口之間的數(shù)據(jù)傳輸，滿足門禁管理軟件與基站之間的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)通信要求。

射頻模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集和無線通信的功能，采用TI公司的CC2530微控制器作為核心，完成無線網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)通信的功能。

存儲(chǔ)模塊采用型號(hào)為AT24C256N的E2PROM作為存儲(chǔ)單元，用于保存基站中的重要信息，包括基站基本信息、基站監(jiān)管下的門鎖列表、緩存數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)進(jìn)出記錄等。

指示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊的監(jiān)測(cè)，用于顯示當(dāng)前基站的狀態(tài)，保障基站的正常運(yùn)行。

3.2 無線門鎖設(shè)計(jì)

無線門鎖硬件主要有RFID讀卡模塊、時(shí)鐘模塊、射頻模塊、存儲(chǔ)模塊、指示模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊六個(gè)模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線門鎖硬件結(jié)構(gòu)圖

RFID讀卡模塊采用非接觸式13.56 MHz的MFRC522高集成度的讀寫卡芯片，將Mifire1標(biāo)準(zhǔn)IC卡作為開鎖鑰匙。在系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求下，讀卡模塊通常處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有刷卡信息時(shí)，隨即喚醒系統(tǒng)并讀取卡片信息，完成相應(yīng)動(dòng)作。

時(shí)鐘模塊采用低功耗PCF8563T的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，可提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，用于系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置和讀取。一個(gè)外部引腳中斷輸出，用于喚醒整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)工作。該模塊采用一個(gè)紐扣電池獨(dú)立供電，保障無線門禁在電池低電壓甚至斷電時(shí)時(shí)鐘芯片仍然保持正常工作。

射頻模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集和無線通信，采用TI（德州儀器）的CC2530微控制器作為核心。整個(gè)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)以降低功耗。只有在有任務(wù)處理喚醒時(shí)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)工作，完成指定任務(wù)后，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)等待喚醒。

存儲(chǔ)模塊采用AT24C256N E2PROM作為存儲(chǔ)單元，用于保存無線門禁中的重要數(shù)據(jù)，包括無線門禁基本信息、卡片信息、進(jìn)出記錄等。

指示模塊包含蜂鳴器、LED燈兩部分，當(dāng)有相應(yīng)權(quán)限的IC卡片接近時(shí)，LED閃爍提示，發(fā)出一聲短促的提示音；當(dāng)完成一套正常的門鎖開關(guān)動(dòng)作時(shí)，會(huì)有開門和關(guān)門音樂響起；當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)提示。多種指示信息配合使用，便于管理人員日常維護(hù)，并提高門禁系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用三極管組成H橋電路，通過微控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成門鎖基本開關(guān)動(dòng)作。電機(jī)通斷時(shí)間較短，降低功耗以延長(zhǎng)電池使用壽命。

無線門鎖的供電由兩部分組成，主要部分的供電由4節(jié)5號(hào)1.5 V堿性電池負(fù)責(zé)，通過一片HT7333低壓差線性穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流約為40 uA，在系統(tǒng)休眠時(shí)保障極低的功耗。另一部分是獨(dú)立的紐扣電池供電，用于提供時(shí)鐘芯片電源，保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和喚醒功能。通過AD采集電池電壓量，微控制器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電池狀態(tài)，當(dāng)電壓過低時(shí)會(huì)反饋至門禁管理軟件，告知門禁管理人員及時(shí)更換電池，保障無線門禁系統(tǒng)的正常工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 無線網(wǎng)絡(luò)的組建

在一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，基站作為FFD全功能設(shè)備，具有協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的作用。當(dāng)基站啟動(dòng)后，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的組建，網(wǎng)絡(luò)組建成功后等待空間內(nèi)的無線門鎖（ZigBee設(shè)備）的入網(wǎng)請(qǐng)求；當(dāng)所請(qǐng)求連接的設(shè)備屬于本基站監(jiān)管下的設(shè)備時(shí)，同意其接入網(wǎng)絡(luò)，并為該設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。在本系統(tǒng)中，基站的網(wǎng)絡(luò)地址由實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行按需分配。

無線門鎖作為RFD精簡(jiǎn)功能設(shè)備，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收發(fā)工作，空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。無線門鎖（ZigBee設(shè)備）入網(wǎng)時(shí)，需要向基站提出請(qǐng)求，在基站收到該入網(wǎng)請(qǐng)求后根據(jù)情況判斷是否準(zhǔn)許該設(shè)備入網(wǎng)。當(dāng)無線門鎖成功接入所屬基站的網(wǎng)絡(luò)后，即可通過網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信。

為保證無線通信的安全和穩(wěn)定，采用AES加密處理，選擇CCM模式運(yùn)作。在無線數(shù)據(jù)通信時(shí)，特別是基站向指定門鎖下達(dá)命令時(shí)，通過信息驗(yàn)證確認(rèn)，才能準(zhǔn)確正式執(zhí)行。

4.2 基站程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，基站扮演了一個(gè)重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色，可以說具有承上啟下的作用：從ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)這一方面講，它具有協(xié)調(diào)器的功能；從TCP/IP網(wǎng)絡(luò)這一方面講，它具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能；數(shù)據(jù)的分析和命令的下達(dá)，都將由基站完成，其工作流程如圖4所示。

4.3 無線門鎖程序設(shè)計(jì)

無線門鎖設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于門鎖的低功耗，無線通信的可靠性與安全性。作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端，在空閑時(shí)可進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗；作為基本門鎖，當(dāng)有IC卡接近時(shí)，根據(jù)卡片權(quán)限信息，完成相應(yīng)動(dòng)作，并將這條記錄保存并上傳至基站；當(dāng)遇到異常情況時(shí)，能夠警報(bào)提示，并及時(shí)將情況反饋至門禁管理軟件，告知管理人員及時(shí)處理情況。在該系統(tǒng)中，充分考慮了系統(tǒng)在使用中的安全性，為門禁管理人員下發(fā)了一些特權(quán)卡和授權(quán)卡，具有管理員權(quán)限，應(yīng)該妥善保管。如遇特殊情況時(shí)，可進(jìn)行緊急開門處理；當(dāng)無線通信出現(xiàn)故障時(shí)，也可以進(jìn)行離線卡片管理操作，方便管理人員日常維護(hù)工作。同時(shí)，為保存無線通信的可靠性，采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）技術(shù)，防止多個(gè)門鎖及其他無線設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)形成的干擾。無線門鎖軟件的主要工作流程圖如圖5所示。

圖4 基站工作流程圖

圖5 無線門鎖工作流程圖

4.4 門禁管理軟件設(shè)計(jì)

門禁管理軟件采用B/S架構(gòu)，用戶可以通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理，可以完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門鎖通訊、電量、刷卡、異常報(bào)警等信息，實(shí)時(shí)管理不同人員的進(jìn)出權(quán)限等功能。軟件基于Java EE平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，以MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以Apache Tomcat 8作為服務(wù)器。為了減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，增加無線門鎖總?cè)萘颗c加快數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)中的服務(wù)器不直接與基站進(jìn)行通訊，與基站的通訊由單獨(dú)的通訊軟件來完成。通訊軟件的總體工作流程如圖6所示。

通訊軟件負(fù)責(zé)與基站進(jìn)行通訊，通訊的基站由管理軟件來指定。對(duì)于每一個(gè)基站，通訊軟件創(chuàng)建一個(gè)線程來與對(duì)應(yīng)基站進(jìn)行通訊。為保證系統(tǒng)通訊的實(shí)時(shí)性，軟件中創(chuàng)建了一個(gè)單獨(dú)的后臺(tái)線程來分析基站返回的數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果送到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，為了使門鎖達(dá)到設(shè)計(jì)的低功耗要求，在正常情況下，通訊軟件不直接送命令去訪問無線門禁中的進(jìn)出記錄、信號(hào)強(qiáng)度、門鎖電池狀態(tài)等數(shù)據(jù)，而是發(fā)送命令訪問存放在基站中的數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)都是門鎖在工作時(shí)主動(dòng)上報(bào)給基站，正常情況下門鎖屬于睡眠狀態(tài)。

圖6 通訊軟件工作流程圖

5 結(jié) 語

本文在分析了傳統(tǒng)的有線門禁與離線門禁系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ZigBee技術(shù)的短距離，低功耗結(jié)點(diǎn)，提出了一種ZigBee技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)不僅具有有線門禁實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、穩(wěn)定性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，而且有效地解決了有線門禁系統(tǒng)中布線復(fù)雜的問題，安裝維修方便。無線門鎖節(jié)點(diǎn)按低功耗的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，靜態(tài)電流約為40 uA，因此功耗非常低，4節(jié)干電池基本能使用一年。同時(shí)無線通訊數(shù)據(jù)傳輸采用AES等加密措施，保證聯(lián)網(wǎng)的安全可靠性。該系統(tǒng)具有安裝施工簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低、后期維護(hù)方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，能有效地提高現(xiàn)有門禁系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，降低安裝與維護(hù)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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