基于 ZigBee 的智能家居門禁安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘 要：本文提出了一種基于 ZigBee 的智能家居門禁安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案。 該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在一個(gè)網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上，將多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接到一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)包括控制器，GMS 通信模塊，RS232 模塊，協(xié)調(diào)器等。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是增加了生物特征識(shí)別模塊和電脈沖檢測(cè)裝置，提高了系統(tǒng)整體安全性能。

隨著社會(huì)的發(fā)展，一些社會(huì)不穩(wěn)定因素也是越來越多，安防在人們的日常生活和工作中也顯得尤為重要，在家居生活中，最主要的安防就是大門，現(xiàn)在的生活中，一般都是在大門上設(shè)置一個(gè)貓眼，但是貓眼無法很清晰地觀察到門外的情景，只能作局部觀察，無法實(shí)現(xiàn)較為安全可靠的安防。針對(duì)上述問題，介紹了一種基于ZigBee 的智能家居門禁與安全系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法。

0.引言

門禁安防系統(tǒng)是基于視覺檢測(cè)技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)通訊將智能化與現(xiàn)代安全防護(hù)措施相結(jié)合，開發(fā)而成的一套安全自動(dòng)化的管理系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的門禁設(shè)備中，各個(gè)識(shí)別點(diǎn)傳感器需要通訊線與終端進(jìn)行連接，存在成本高、可靠性不高、維修復(fù)雜和更新難等問題。如今，自動(dòng)門禁系統(tǒng)主要使用計(jì)算機(jī)控制，傳感器識(shí)別和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)。它廣泛應(yīng)用于國外的新型門禁系統(tǒng)，其中 Zig Bee 功耗低，安全性高。低響應(yīng)時(shí)間、低成本和有自組織和自愈性等優(yōu)點(diǎn)在智能家居領(lǐng)域脫穎而出。本文提出了一種新型門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中結(jié)合了 Internet 無線通信和機(jī)器視覺技術(shù)。充分利用 ZigBee 的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)智能家居訪問安全系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介

20 世紀(jì)初，ZigBee 技術(shù)被稱為 21 世紀(jì)十大最新科學(xué)技術(shù)之一，被科學(xué)家們預(yù)測(cè)為將是未來發(fā)展最快，具有廣闊應(yīng)用前景的科學(xué)技術(shù)。ZigBee 是一種新型的無線通信技術(shù)，類似于 WiFi 和藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)。 在待機(jī)狀態(tài)下，干電池的電量就可以支持其工作數(shù)個(gè)月的時(shí)間，同時(shí)，它的制作成本很低， 響應(yīng)時(shí)間迅速，同時(shí)還具有非常高的安全性，被開發(fā)者所廣泛應(yīng)用。 ZigBee 的物理層和訪問控制層可以直接應(yīng)用 IEEE802.15.4 協(xié)議。 對(duì)它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee 技術(shù)具有星型、樹型和網(wǎng)絡(luò)型三種網(wǎng)絡(luò)通訊方式。ZigBee 技術(shù)還可以同時(shí)支持上萬個(gè)設(shè)備，具有超大的容量。

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)包括網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)控制的若干監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)包括網(wǎng)關(guān)控制器、ZigBee 協(xié)調(diào)器、RS232 模塊、藍(lán)牙模塊、GSM 模塊、網(wǎng)絡(luò)變壓器及 RJ45 接口。監(jiān)控模塊包括節(jié)點(diǎn)控制器，監(jiān)控模塊，生物識(shí)別模塊和報(bào)警模塊。節(jié)點(diǎn)控制器內(nèi)置有 ZigBee模塊。采用ZigBee無線通信技術(shù)和GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)包括車庫訪問節(jié)點(diǎn)，走廊訪問節(jié)點(diǎn)，電梯訪問節(jié)點(diǎn)和房屋訪問節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控模塊，生物識(shí)別模塊和報(bào)警模塊分別連接到節(jié)點(diǎn)控制器。

1.3 系統(tǒng)工作流程

門禁系統(tǒng)安裝通電后，系統(tǒng)初始化。用戶在家中時(shí)，可通過 RS232 模塊連接PC 端，或者使用移動(dòng)通信端通過藍(lán)牙方式連接網(wǎng)關(guān)，查看各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)狀況。當(dāng)用戶外出時(shí)，通過移動(dòng)通信端（GSM 網(wǎng)絡(luò)）開啟安防系統(tǒng)，安防系統(tǒng)開啟后，系統(tǒng)進(jìn)入無人監(jiān)控模式。當(dāng)業(yè)主想要進(jìn)入住宅或車庫時(shí)，將手指對(duì)準(zhǔn)指紋識(shí)別單元，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別指紋特征并進(jìn)行比對(duì)；同時(shí)將臉部對(duì)準(zhǔn)臉靜脈傳感器，系統(tǒng)自動(dòng)與用戶存儲(chǔ)于存儲(chǔ)單元的臉靜脈特征值信息進(jìn)行匹配比對(duì)，特征信息無誤后，用戶打開門禁安防系統(tǒng)，進(jìn)入住宅；若為非存儲(chǔ)單元內(nèi)存儲(chǔ)的用戶信息即不是業(yè)主本人及業(yè)主的其他家人，系統(tǒng)進(jìn)行匹配比對(duì)后報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將攝像頭、收音器和紅外探測(cè)器錄入的信息以壓縮形式存入存儲(chǔ)單元，便于警方或者用戶自己追溯告警信息的原因。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)控制的若干監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成。

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，通過連接到網(wǎng)關(guān)控制器來實(shí)現(xiàn)功能模塊之間的通信。系統(tǒng)建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，用于網(wǎng)關(guān)控制器和節(jié)點(diǎn)控制器之間的通信。RS232 模塊連接到網(wǎng)關(guān)控制器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器和主機(jī)之間的通信。藍(lán)牙模塊和 GSM 模塊與網(wǎng)關(guān)控制器相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器與移動(dòng)通信終端的通信。RJ45 接口、網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)關(guān)控制器依次連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊均與節(jié)點(diǎn)控制器相連接，其中該模塊包括三個(gè)部分，分別是紅外掃描器、攝像頭和收音設(shè)備。紅外掃描儀負(fù)責(zé)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)附近有機(jī)體的紅外信號(hào)。攝像機(jī)負(fù)責(zé)采集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)附近的視頻信號(hào)。收音設(shè)備負(fù)責(zé)在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)附近收集音頻信號(hào)。

生物識(shí)別模塊作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特色之一，主要用來識(shí)別生物特征，采集生物相關(guān)信息。該模塊包含兩個(gè)指紋識(shí)別單元和面部靜脈傳感器。指紋識(shí)別單元負(fù)責(zé)采集和識(shí)別指紋信號(hào)。面部靜脈感測(cè)單元用于收集和識(shí)別面部靜脈特征信號(hào)。該模塊同樣受節(jié)點(diǎn)控制器控制。面部靜脈傳感器單元由數(shù)據(jù)處理子單元，存儲(chǔ)子單元和收集子單元組成。用戶的面部信息由紅外攝像頭采集經(jīng)由數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過相關(guān)處理后，輸入到存儲(chǔ)子單元。存儲(chǔ)子單元連接到相關(guān)節(jié)點(diǎn)控制器。采集子單元包括臉靜脈傳感器和攝像裝置，臉靜脈傳感器和攝像裝置分別與節(jié)點(diǎn)控制器連接。車庫門禁節(jié)點(diǎn)或樓道門禁節(jié)點(diǎn)還包括電脈沖檢測(cè)裝置。

電脈沖檢測(cè)裝置用于檢測(cè)電子鎖線路中的電脈沖信號(hào)，該裝置與電子鎖連接，電脈沖檢測(cè)裝置由感應(yīng)線圈和與線圈連接的檢測(cè)電路組成。檢測(cè)電路依次并接：整流電路將由感應(yīng)線圈產(chǎn)生的振蕩電壓隔離一個(gè)負(fù)半周期，僅將正半周期留給后續(xù)電路。將整流電路與 R101（限流電阻）串聯(lián)。當(dāng)電壓過高時(shí)，TVS 管和齊納二極管可以拉高電壓，保護(hù)后續(xù)電路。C93 起到濾波作用。R102 為限流電阻。光電耦合器 U24 在沒有感應(yīng)電壓時(shí)，其引腳 6 處于高電平。當(dāng)存在感應(yīng)電壓時(shí)，其引腳6 為低電平，其引腳 5 接地，并且其引腳 8 連接到電源。電容 C94，起到濾波作用。分壓電阻 R103。分壓電阻 R110。電源，為光耦 U24 供電。

整流電路為二極管陣列。二極管陣列為 14 個(gè)二極管串聯(lián)，輸出端分別從 D11與 D12 之間、D23 與 D24 之間引出。

3 總結(jié)

該系統(tǒng)建立了多場(chǎng)景監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控范圍廣。增加了生特征識(shí)別模塊，能夠自動(dòng)識(shí)別外人，并發(fā)出警報(bào)，第一時(shí)間阻止外人入侵，安全系數(shù)高；生物特征識(shí)別模塊雙重生物特征識(shí)別，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率，同時(shí)解決了現(xiàn)有基于人臉識(shí)別的門禁安防系統(tǒng)因人臉識(shí)別易破解導(dǎo)致其安全性低的問題；增加電脈沖檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)到由于特斯拉線圈感應(yīng)產(chǎn)生的電脈沖，防止入侵者使用特斯拉線圈破解電子鎖。經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)表明，基于 ZigBee 的門禁系統(tǒng)具有良好的市場(chǎng)前景。

作者簡(jiǎn)介：

楊曉藝，出生年月：1997.10.30，性別：女，民族：漢，籍貫：山東省濟(jì)南市，學(xué)歷：本科，研究方向：通信工程.