基于Zigbee技術(shù)的無線門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張慧穎　錢同云　馬淑華

摘要：針對目前無線門禁系統(tǒng)無線化、智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無線通信技術(shù)的無線門禁控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電廠高壓控制柜的門禁系統(tǒng)的智能管理。為了較好的避免無線網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中的缺陷，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用了無線和有線相結(jié)合的方式。該系統(tǒng)成本低、安全性好，易擴(kuò)展，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：門禁 Zigbee 無線

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0026-01

1 引言

門禁系統(tǒng)是智能控制領(lǐng)域研究內(nèi)容之一，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。隨著科技的進(jìn)步，門禁控制系統(tǒng)發(fā)展越來越迅速，功能也逐步完善。門禁系統(tǒng)從機(jī)械鎖發(fā)展到電子門禁，從單一的門禁控制系統(tǒng)發(fā)展到智能化、無線化的門禁系統(tǒng)，普通門鎖和人工管理早已不能滿足智能化的需要。尤其是擁有上百個(gè)電氣控制柜的大型電廠及變電所，人工管理更容易造成管理上的困難，因此，采用現(xiàn)代智能化門禁技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了可靠、安全、方便實(shí)用的特點(diǎn)，更重要的是節(jié)省了人力和時(shí)間，具有重要的意義[1]。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

電廠高壓控制柜的門禁系統(tǒng)主要采用Zigbee技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無線智能化管理。一套完整的門禁系統(tǒng)主要由Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、控制器、電鎖控制器、傳感電路、上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理和CAN總線等基本部分構(gòu)成。無線網(wǎng)絡(luò)由充當(dāng)調(diào)節(jié)器的基站節(jié)點(diǎn)和具有路由功能并配有傳感器的終端節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)電廠的需要檢索線路時(shí)，管理員預(yù)先將授權(quán)信息下載到主控板的存儲(chǔ)器中，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的卡號信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)送入到主控器中，將卡號與存儲(chǔ)器中的卡號進(jìn)行對比，若卡號有效，則門鎖打開，技術(shù)人員對被授權(quán)的控制柜進(jìn)行操作。若存儲(chǔ)器中確實(shí)沒有此卡號的授權(quán)信息，就會(huì)請求管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，如果確實(shí)無效，則無法打開電鎖[2]。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由CC2530構(gòu)成的傳感節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、基于ARM構(gòu)架的主控制器和CAN總線的通信電路組成。電柜號的采集和發(fā)送由終端節(jié)點(diǎn)完成；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建和信息的匯聚，又稱為匯聚節(jié)點(diǎn)；CAN總線與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相互傳送。

3.1 Zigbee無線通信模塊

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建選取美國TI公司CC2530實(shí)現(xiàn)。該芯片兼容2.4GHz、IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術(shù)的片上技術(shù)，具有增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核的無線微型控制器，擁有128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8KBRAM，CC2530搭載傳感器構(gòu)成的路由節(jié)點(diǎn)，完成信息的采集及無線傳輸。Zigee無線網(wǎng)絡(luò)的建立和協(xié)調(diào)是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行分析與管理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是一致的，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行信息的采集故無需外加傳感器模塊。為了增加無線覆蓋范圍滿足電廠需求，可以在射頻前端增加CC2591功率放大，將Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍從傳統(tǒng)的75m擴(kuò)展到1Km以上[3][4]。電路如圖2所示。

3.2 ARM主控制器設(shè)計(jì)

主控制器主要由Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM中央處理器、CAN總線模塊構(gòu)成。中央處理器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運(yùn)行速度快可以更好的滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的需求。內(nèi)部集成3個(gè)串口，配有SD卡控制器，兩路全速USB主設(shè)備芯片，可以方便進(jìn)行外圍設(shè)備擴(kuò)展。主控制器的外圍由電源模塊、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、CC2530路由節(jié)點(diǎn)、鍵盤電路及CAN總線電路。ARM主控器電路如圖3所示。

3.3 CAN總線電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)相連時(shí)，采用CAN總線實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)無線網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的ARM架構(gòu)CORTEX-M3系列的LM3S9B92實(shí)現(xiàn)CAN總線設(shè)計(jì)。片內(nèi)資源豐富，自帶了以太網(wǎng)控制器，遵循“IEEE 802.3”規(guī)范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用自帶的CAN總線收發(fā)器TJA1050實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議完成與外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)的通信功能[5]。

4 軟件設(shè)計(jì)

門禁控制系統(tǒng)軟件由上位機(jī)子程序和中央控制器程序兩大部分構(gòu)成。設(shè)計(jì)程序時(shí)，采用模塊化編程思想便于后續(xù)的改動(dòng)及移植。程序編寫在ARM平臺(tái)下完成，采用C語言進(jìn)行編寫與調(diào)試。軟件程序包括Zigbee無線數(shù)據(jù)收發(fā)、CAN總線模塊子程序、下位機(jī)與上位機(jī)通信子程序以及上位機(jī)處理軟件程序。在Zigbee無線數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，主要包括路由節(jié)點(diǎn)子程序、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)子程序和終端節(jié)點(diǎn)子程序構(gòu)成。無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序采用CC2530兼容的協(xié)議棧Zstack2007的平臺(tái)下設(shè)計(jì)應(yīng)用程序；用戶軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)門禁設(shè)備的查找并建立連接，通過多次對比，確保認(rèn)證的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)主機(jī)軟件流程首先初始化，然后鍵盤接口掃描系統(tǒng)鍵盤操作，并完成Zigbee通信模塊的連接，上位機(jī)發(fā)送需要打開的門禁序號，傳遞到中央處理單元；檢測終端將采集到的門禁序號通過無線網(wǎng)絡(luò)送入中央處理單元，進(jìn)行對比比較，若對則建立連接，發(fā)送門禁開啟指令。否則，不予開啟門禁。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)電廠電柜的門禁控制系統(tǒng)，極大的提高了電廠對電柜控制的效率和安全性。通過測試，該設(shè)計(jì)方案具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張永宏，曹健，王麗華.基于51單片機(jī)與nRF24L01無線門禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2103，27（1）：64-68.

[2]劉偉，李晶.高壓母線控制柜無線門禁硬件系統(tǒng)的研制[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31（9）：58-60.

[3]吳世通.基于ZigBce技術(shù)的無線門禁系統(tǒng)[D].蘇州大學(xué)，2013.

[4]馮英偉，王慶福，王啟元.基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（1）：90-92.

[5]吳桂清，張欣萍，羅鸝等.基于STM32F207與CAN總線的車載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2015，39（02）：407-409.