基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡昌勇+蒲虹橋+朱靜

摘要：隨著人們對(duì)財(cái)物的保管意識(shí)的增強(qiáng)，許多銀行金融機(jī)構(gòu)增加了保險(xiǎn)柜租賃服務(wù)，提供給客戶保管貴重物品。該文討論的智能鎖系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方式，可以對(duì)柜門的開關(guān)操作進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控柜門開關(guān)狀態(tài)，并且在非法開啟時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警，確保了保險(xiǎn)柜的安全。

關(guān)鍵詞：ZigBee；實(shí)時(shí)監(jiān)控；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）28-0266-03

Abstract： Many banks and financial institutions provide leasing services for customers to keep their valuables with the increasing awareness of the preservation of property. This paper discussed the lock system Based on ZigBee which is of excellent security， it controls and monitors the on-off state of the safe door remotely， and it has sound-light alarming devices when illegally opened.

Key words： ZigBee； Real-Time Monitoring； Power saving mode

1 概述

近年來(lái)，隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)財(cái)物的保管意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，多數(shù)銀行提供了保險(xiǎn)柜租賃服務(wù)，很多人會(huì)將黃金，古玩、字畫等收藏品存入銀行的保險(xiǎn)柜，一些保密機(jī)構(gòu)和單位也會(huì)將印章，絕密資料等重要物件放入保險(xiǎn)柜保管。目前，大多數(shù)銀行沿用的是鑰匙開啟的方式來(lái)管理保險(xiǎn)柜，用戶在開啟保險(xiǎn)柜時(shí)需要使用對(duì)應(yīng)的鑰匙，然而存在一個(gè)問(wèn)題，一旦客戶鑰匙丟失，需要大量的時(shí)間來(lái)掛失和補(bǔ)辦鑰匙，也有可能在掛失之前被他人拾取而丟失財(cái)物。

少數(shù)銀行在保險(xiǎn)柜管理上采用了密碼鎖、指紋識(shí)別等現(xiàn)代開啟技術(shù)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)銀行盜竊案例也頻頻發(fā)生，本文研發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，能夠有效地改善和提高保險(xiǎn)箱的安全性。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE 無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)PAN（PersonalAreaNetwork）組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱為 IEEE802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)EEE僅處理低級(jí)MAC層和PHY層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對(duì)其NWK層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)/安全層，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其協(xié)議層結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段、歐洲的868MHz頻段和美國(guó)的915MHz頻段，在這幾個(gè)頻段上進(jìn)行信號(hào)傳播時(shí)損耗較小，可降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的通信距離，即可用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域。ZigBee最高傳輸數(shù)據(jù)率達(dá)到250kbit/x，直線傳輸距離可達(dá)100米，如果增加功率放大器，其傳輸距離可覆蓋幾百米甚至幾公里。

作為一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)是介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，在傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，這得益于它強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、簇狀型和網(wǎng)狀型三種ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，按功能可以將節(jié)點(diǎn)分為三類，分別是：協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器（Router）和終端（End-device）。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組織者和管理者，它負(fù)責(zé)建立、配置和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器主要負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、允許其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)它接入到網(wǎng)絡(luò)并且實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)功能。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器或者路由器接入到網(wǎng)絡(luò)中，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，但不允許其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入到網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是具體執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)脑O(shè)備，他不能轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的消息。

星型結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它不支持路由器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)方便，數(shù)據(jù)延遲小等特點(diǎn)。

簇狀型結(jié)構(gòu)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器，多個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器可以連接一系列的路由器和終端設(shè)備，其子節(jié)點(diǎn)路由器的子節(jié)點(diǎn)也可以是一系列的路由器和終端設(shè)備，而終端節(jié)點(diǎn)不能有子節(jié)點(diǎn)，由此可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。在簇型網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)只能與其父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

網(wǎng)型結(jié)構(gòu)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器、終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。與簇狀結(jié)構(gòu)不同的是路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，因此，路由較靈活，即使某條路徑出現(xiàn)問(wèn)題，也可以通過(guò)其他路徑進(jìn)行信息傳輸。

終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最為簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，能夠接收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的信息。由于其不需要與鄰近節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，并兼具路由功能，故能夠賦予系統(tǒng)更強(qiáng)的性能。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，其每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處于低功耗狀態(tài)，能夠節(jié)省大量電能，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

通過(guò)對(duì)zigBee協(xié)議和銀行保險(xiǎn)柜管理系統(tǒng)的研究，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能主要進(jìn)行保險(xiǎn)柜門鎖開關(guān)操作的遠(yuǎn)程控制以及開關(guān)日志信息的傳輸。

集中控制設(shè)備通過(guò)TCP/IP協(xié)議和無(wú)線控制基站通信，無(wú)線控制基站通過(guò)ZigBee協(xié)議和無(wú)線鎖通信。

3.1.1 系統(tǒng)介紹

如圖3所示，該系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)由三部分組成：系統(tǒng)控制中心，無(wú)線基站和保險(xiǎn)柜門鎖。

系統(tǒng)控制中心與無(wú)線基站之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線基站與保險(xiǎn)柜門鎖之間采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)門鎖的無(wú)線組網(wǎng)，由于門鎖之間不需要信息交流，每一個(gè)門鎖都直接與無(wú)線基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。endprint

系統(tǒng)工作時(shí)，門鎖與基站進(jìn)行無(wú)線通信，無(wú)線基站與控制中心通過(guò)有線以太局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖的控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

為了降低鎖具安裝成本及難度，鎖具采用電池供電，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，門鎖節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒接收來(lái)自基站的信息。當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，每個(gè)門鎖節(jié)點(diǎn)處于低功耗狀態(tài)，延長(zhǎng)電池使用壽命。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)功能

控制中心通過(guò)無(wú)線基站能夠與各保險(xiǎn)柜門鎖節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙向通信，控制中心可以查詢終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，下達(dá)命令和傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線門鎖也可上傳數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1） 遠(yuǎn)程控制：控制中心能遠(yuǎn)程控制門鎖的開啟和關(guān)閉。

（2） 數(shù)據(jù)操作：控制中心可以對(duì)門鎖進(jìn)行無(wú)線下載日志、同步時(shí)間等數(shù)據(jù)操作。

（3） 門鎖上報(bào)數(shù)據(jù)：門鎖在開關(guān)門時(shí)會(huì)向控制中心發(fā)送記錄（開關(guān)門時(shí)間），以實(shí)現(xiàn)對(duì)柜門狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4） 狀態(tài)查詢：控制中心能查詢門鎖的電池狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)。

（5） 同步門鎖時(shí)間：電腦通過(guò)無(wú)線基站能查詢門鎖的時(shí)間，然后可以通過(guò)電腦同步門鎖的時(shí)間，保證日志記錄的正確性。

3.1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1） 無(wú)線組網(wǎng)：

無(wú)線通信技術(shù)成熟穩(wěn)定，并具有低功耗、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。無(wú)需布線，降低施工成本。

（2） 實(shí)時(shí)監(jiān)控：

電腦能實(shí)時(shí)監(jiān)控門鎖的開關(guān)狀態(tài)和門鎖的電池狀態(tài)，方便門鎖的管理和更換電池。且安全性得到保障。

（3） 通信安全：

支持無(wú)線傳輸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的安全套件，無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用AES-128先進(jìn)的加密算法，為無(wú)線通信提供安全保障。

（4） 功耗低：

系統(tǒng)硬件均選用低功耗元器件，在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，因此產(chǎn)品功耗低，高能電池可工作24個(gè)月。

（5） 即裝即用：

產(chǎn)品采用堿性干電池供電，不需任何連接線，安裝方便，即裝即用。

3.2 終端門鎖硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖4所示，門鎖系統(tǒng)由電源模塊、ZigBee模塊、控制器、存儲(chǔ)模塊、電機(jī)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、霍爾模塊構(gòu)成。MCU接收來(lái)自ZigBee的信息并對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析，生成對(duì)其他模塊的控制命令或進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

3.2.2 工作原理

門鎖上電后，系統(tǒng)通過(guò)ZigBee模塊發(fā)起組網(wǎng)申請(qǐng)，控制中心收到通過(guò)無(wú)線基站中轉(zhuǎn)的申請(qǐng)后，更新在線門鎖節(jié)點(diǎn)信息并完成時(shí)間同步。門鎖注冊(cè)成功后，控制中心可以通過(guò)指令查詢門鎖電池狀態(tài)、開關(guān)門日志、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開門等操作。

門鎖平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗，ZigBee模塊定時(shí)喚醒以便查詢是否有無(wú)線數(shù)據(jù)需要接收，如收到與自身ID匹配的數(shù)據(jù)包，則喚醒MCU執(zhí)行相應(yīng)操作，否則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。要執(zhí)行開門操作時(shí)，控制中心通過(guò)無(wú)線基站發(fā)送門鎖ID和開鎖指令，ZigBee模塊收到數(shù)據(jù)后，喚醒MCU進(jìn)行指令解析，并執(zhí)行開鎖命令，同時(shí)將開鎖命令與當(dāng)前時(shí)間一起存入EEPROM，并聲光報(bào)警，提示用戶門鎖已開啟。當(dāng)用戶拉開柜門時(shí)，門鎖上的霍爾傳感器輸出高電平，MCU檢測(cè)到此信號(hào)后隨即發(fā)送本機(jī)ID加開門狀態(tài)數(shù)據(jù)到控制中心，并保存日志，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)開門動(dòng)作，門鎖將自動(dòng)上鎖并上傳上鎖日志，同時(shí)將日志寫入EEPROM。

對(duì)柜門進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)，MCU將時(shí)間信息保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，并主動(dòng)將日志通過(guò)無(wú)線基站上傳PC機(jī)。MCU接收到開關(guān)門請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，將請(qǐng)求信息上傳PC機(jī)，PC機(jī)同意后將通過(guò)無(wú)線基站授權(quán)MCU驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)柜門的開關(guān)操作。當(dāng)無(wú)開關(guān)操作請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，MCU會(huì)對(duì)門鎖喚醒進(jìn)行定時(shí)查詢，當(dāng)霍爾傳感器檢測(cè)到門鎖處于異常開啟狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)聲光報(bào)警，同時(shí)將異常信號(hào)上傳MCU，MCU將信息及時(shí)反饋至PC，并將時(shí)間日志記錄到存儲(chǔ)器中。

系統(tǒng)選用MSP430系列單片機(jī)作為微控制器，MSP430系列單片機(jī)是16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，內(nèi)部寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理指令。該系列單片機(jī)具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，功耗低等特點(diǎn)，滿足電池提供系統(tǒng)對(duì)功耗的要求。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench的C/C++作為開發(fā)工具進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，該編譯器所編寫的代碼緊湊，節(jié)省硬件資源，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以最大限度降低產(chǎn)品成本。

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗工作模式。

如圖5所示，門鎖上電后門鎖通過(guò)ZigBee發(fā)出組網(wǎng)申請(qǐng)，組網(wǎng)成功后若沒(méi)有其他操作需求時(shí)通過(guò)定時(shí)器定時(shí)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。

程序?qū)Π踩悄苕i主要耗電部分如MCU，ZigBee模塊等進(jìn)行控制，使其在空閑狀態(tài)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式，當(dāng)需要進(jìn)行日志上傳（如圖6所示）或者數(shù)據(jù)接收（如圖7所示）時(shí)，將進(jìn)入中斷程序處理相應(yīng)的任務(wù)，終端程序結(jié)束后再次進(jìn)入低功耗休眠，由于添加了低功耗休眠，系統(tǒng)整體功耗將大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能鎖系統(tǒng)具有安全系數(shù)高、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，已完成實(shí)物的制作與調(diào)試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠完成預(yù)定的功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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