Zigbee技術(shù)在智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔡華輝

（品譜（廈門）工業(yè)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在當(dāng)前電子技術(shù)和智能化技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，智能門鎖逐漸成為人們家裝的主要選擇。其門禁系統(tǒng)中應(yīng)用了RF智能卡技術(shù)，具有加密強(qiáng)度大、不易被復(fù)制、防偽性較好、可靠性較高的特點(diǎn)，在現(xiàn)階段正逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械鑰匙門鎖。同時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的形勢(shì)下，應(yīng)用Zigbee無線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能門鎖的集中監(jiān)控和管理，在宿舍、公寓酒店中具有良好的應(yīng)用效果。

1 Zigbee技術(shù)

Zigbee技術(shù)是當(dāng)前一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有短距離、功耗低、安全可靠和底數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)，具有較強(qiáng)的自恢復(fù)能力。在智能門鎖產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用Zigbee技術(shù)相比于其他產(chǎn)品，其RF性能更好，可以有效地驅(qū)動(dòng)液晶顯示電路和AD模擬鍵盤、射頻識(shí)別（RFID）讀取控制電路，保證門鎖設(shè)計(jì)的智能化，盡可能地降低成本。利用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線通信，具有較好的優(yōu)勢(shì)。相較于藍(lán)牙技術(shù)來說，Zigbee技術(shù)的傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)、功耗較低、電池維持時(shí)間長(zhǎng)。而較于Wi-Fi技術(shù)來說，其耗電量較低，優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)組成

智能門鎖系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示，分別是終端門鎖、無線網(wǎng)關(guān)以及服務(wù)平臺(tái)軟件等。其中終端門鎖是利用Zigbee無線通信技術(shù)將各種門鎖信息發(fā)給無線網(wǎng)關(guān)或基于無線網(wǎng)關(guān)，將開鎖白名單下發(fā)到終端門鎖中，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖。而無線網(wǎng)關(guān)則是基于Zigbee技術(shù)，做為終端門鎖和服務(wù)平臺(tái)之間的橋梁，是系統(tǒng)中必不可少的部分，也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的關(guān)鍵。服務(wù)平臺(tái)軟件則是管理人員新增、刪除、修改開鎖白名單的程序系統(tǒng)，是強(qiáng)化智能門鎖安全性和可靠性的重要保障[1]。

2.2 主要功能

智能門鎖系統(tǒng)有5種主要功能。1）終端門鎖按照其存儲(chǔ)的開鎖白名單，只允許在白名單行列的智能卡或密碼開鎖，對(duì)于非授權(quán)的智能卡和密碼則無法開鎖。2）終端門鎖可以向服務(wù)平臺(tái)上報(bào)智能卡的刷卡記錄、關(guān)門和密碼開門記錄等信息。3）智能門鎖系統(tǒng)管理員通過服務(wù)平臺(tái)軟件可以向終端門鎖下發(fā)開鎖白名單，保障開鎖的便利性和安全性。4）同時(shí)系統(tǒng)管理員也能夠在服務(wù)平臺(tái)軟件上利用管理員權(quán)限實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開鎖。5）服務(wù)平臺(tái)軟件能夠隨時(shí)查看各個(gè)智能門鎖的刷卡信息、開門關(guān)門信息以及非授權(quán)卡的刷卡記錄等，具有較高的安全性。

2.3 工作方式

圖1 智能門鎖系統(tǒng)的構(gòu)成

智能門鎖系統(tǒng)中的終端門鎖在工作中，主要是依靠地址和信道2組撥碼開關(guān)，在合理地安裝終端門鎖后，則可以通過撥碼開關(guān)來設(shè)置相應(yīng)的門鎖地址和其所使用的通信信道。而當(dāng)終端門鎖通電上鎖后，則會(huì)向服務(wù)平臺(tái)軟件發(fā)出校時(shí)請(qǐng)求，校正時(shí)間后會(huì)進(jìn)入休眠模式。另外一方面，智能門鎖對(duì)RF讀卡模塊設(shè)置為定時(shí)1 s喚醒，從而可以進(jìn)行低功耗尋卡，有利于識(shí)別用戶的刷卡開鎖行為。如果檢測(cè)到所刷的智能卡在白名單中，就會(huì)控制開鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開鎖，并將該條記錄保存在終端門鎖的存儲(chǔ)器中。

而無線網(wǎng)關(guān)的工作方式則是負(fù)責(zé)將終端門鎖和服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行有效連接，其能夠?qū)o線數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，以便于門鎖開鎖信息查詢。在實(shí)際工作中，為了保障信號(hào)的覆蓋范圍較廣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)利用多個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，并采用重疊覆蓋的方式同時(shí)部署，當(dāng)終端門鎖上報(bào)開鎖數(shù)據(jù)時(shí)，在其信號(hào)覆蓋范圍之內(nèi)的無線網(wǎng)關(guān)可以同步接收到該門鎖的數(shù)據(jù)報(bào)文，然后在經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，則能夠有效地將門鎖數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到服務(wù)平臺(tái)中。其平臺(tái)在接收到終端門鎖的無線信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)報(bào)文后，會(huì)從多個(gè)無線網(wǎng)關(guān)中選擇信號(hào)強(qiáng)度最好的一個(gè)對(duì)終端門鎖進(jìn)行回復(fù)反饋。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 終端門鎖設(shè)計(jì)

終端門鎖的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，也是實(shí)現(xiàn)門鎖智能化的關(guān)鍵基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)過程中，對(duì)終端門鎖主要包括硬件和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面，其中對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)則是針對(duì)微控制器、門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)字按鍵或指紋模塊、RF讀卡模塊和Zigbee無線模塊等，在設(shè)計(jì)過程中要將終端門鎖與服務(wù)平臺(tái)軟件的交互協(xié)議放置在Zigbee協(xié)議幀的數(shù)據(jù)中，并且終端門鎖與無線網(wǎng)關(guān)之間要采用Zigbee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議幀進(jìn)行傳輸，以保障數(shù)據(jù)報(bào)文的傳輸有效性。而對(duì)于微控制器的設(shè)計(jì)一般應(yīng)確保其內(nèi)置有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，有利于滿足終端門鎖利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘來發(fā)揮分時(shí)復(fù)用的功能。而且由于終端門鎖基本是采用干電池供電，對(duì)它的休眠設(shè)置要求比較高，休眠電流較小，能夠降低門鎖的功耗，延長(zhǎng)干電池的使用壽命。讀卡器模塊芯片的選擇應(yīng)考慮功耗相對(duì)較低的芯片，并在模塊的內(nèi)部集成低功耗自動(dòng)尋卡和定時(shí)喚醒的功能，通常在尋卡的過程中不需要進(jìn)行微控制單元（MCU）操作，成功尋卡后則可喚醒MCU。對(duì)于終端門鎖的軟件設(shè)計(jì)，需要保障門鎖與服務(wù)平臺(tái)之間的交互協(xié)議包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘校時(shí)、刷卡信息上報(bào)、喚醒報(bào)文上報(bào)以及開鎖白名單下發(fā)和遠(yuǎn)程開鎖等命令幀。充分保障終端門鎖能夠與服務(wù)平臺(tái)之間形成良性交互[1]。

3.2 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)則是針對(duì)帶有網(wǎng)絡(luò)接口的MCU、多路Zigbee無線模塊和工作指示燈等，其中對(duì)于微控制器的設(shè)計(jì)則要滿足同一個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)支持4通道Zigbee通信的需求。無線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是保障終端門鎖與服務(wù)平臺(tái)之間的Zigbee報(bào)文能夠與以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際工作中無線網(wǎng)關(guān)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)報(bào)文交互協(xié)議利用以太網(wǎng)，發(fā)送到服務(wù)平臺(tái)，然后其根據(jù)多個(gè)網(wǎng)關(guān)上報(bào)的信息幀，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行剔除和選擇，再選擇通信質(zhì)量相對(duì)較好的無線網(wǎng)關(guān)恢復(fù)終端門鎖的報(bào)文，因此設(shè)計(jì)人員要盡量確保無線網(wǎng)關(guān)的報(bào)文轉(zhuǎn)換工作符合系統(tǒng)的實(shí)際需求，有效連接門鎖與服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能化門鎖控制。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

3.3 服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能門鎖服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，一般包括模型層、視圖層和控制層。模型層的作用是對(duì)應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如存取數(shù)據(jù)等。視圖層是在模型層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上創(chuàng)建的顯示層。而控制層是平臺(tái)的核心部分，主要負(fù)責(zé)用戶的交互處理，通過控制器讀取數(shù)據(jù)、控制用戶輸入，再向模型層發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能門鎖的控制流程。在進(jìn)行智能門鎖系統(tǒng)的服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，首先是在前端頁面中設(shè)置用戶登錄、刷卡查詢、授權(quán)、設(shè)置密碼以及遠(yuǎn)程開鎖等功能界面，并將用戶產(chǎn)生的刷卡、開關(guān)門等流水信息儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)平臺(tái)系統(tǒng)管理登錄后可以根據(jù)時(shí)間和名稱查詢相應(yīng)門鎖的刷卡記錄。同時(shí)服務(wù)平臺(tái)要與智能卡的讀卡器相連接，以便于將讀卡信息發(fā)送到指定的終端門鎖，使其成為開鎖白名單。

3.4 門鎖控制電路設(shè)計(jì)

圖2 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)示意圖

門鎖控制電路的設(shè)計(jì)主要采用靈性鎖，即是利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)鎖芯進(jìn)行有效的伸縮控制，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的工作電壓采用直流12 V，而Zigbee處理器的驅(qū)動(dòng)電壓為直流3.3 V，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)門鎖控制電路設(shè)計(jì)為復(fù)合管電路，以保障對(duì)門鎖進(jìn)行有效的驅(qū)動(dòng)控制。首先將門鎖驅(qū)動(dòng)端口接入Zigbee處理其的端口，以便于確定門鎖電路，通過發(fā)送低電壓信號(hào)，則能夠使2V驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)開始工作。而低電壓信號(hào)控制高電壓信號(hào)可以采用繼電器的方式形成驅(qū)動(dòng)，并且為了降低門鎖功耗、提高安全性能、減小門鎖設(shè)計(jì)體積，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)合管電路，保障門鎖驅(qū)動(dòng)控制具有實(shí)效性。

3.5 程序及流程設(shè)計(jì)

對(duì)智能門鎖系統(tǒng)的主流程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)作為智能門鎖的控制端，并配合終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。在該基礎(chǔ)上，首先要對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行初始化操作，具體是將液晶和RFID讀卡器進(jìn)行初始化和模式設(shè)置，然后調(diào)用液晶顯示子函數(shù)，從而顯示歡迎頁面。同時(shí)液晶會(huì)按照系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)而顯示相對(duì)應(yīng)的頁面。然后在調(diào)用RFID讀卡程序和按鍵檢測(cè)程序時(shí)，能夠同步檢測(cè)出RFID的卡號(hào)以及密碼鍵輸入，一旦系統(tǒng)有效讀取到RFID的相關(guān)信息，則會(huì)發(fā)送身份審核數(shù)據(jù)包，等待尚未終端反饋審核的結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的門鎖驅(qū)動(dòng)程序和操作。

對(duì)于RFID的讀卡流程設(shè)計(jì)，一般是要保障RFID射頻卡放到讀卡器上時(shí)，能夠順利進(jìn)入讀卡程序中。所以在具體設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員首先應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)RFID卡尋找流程，以便于能夠準(zhǔn)確讀取RFID序列號(hào)，從而保障讀卡過程的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可以設(shè)計(jì)2次尋卡過程，當(dāng)卡號(hào)讀取一致時(shí)，則會(huì)進(jìn)行保存。并且為了防止多張RFID卡在讀卡器上發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，應(yīng)在讀卡結(jié)束后進(jìn)行有效的防沖撞檢測(cè)。如果檢測(cè)通過，就會(huì)確認(rèn)為有效卡號(hào)，并且將卡號(hào)打包成為數(shù)據(jù)包，再加密發(fā)送到上位控制器中進(jìn)行身份驗(yàn)證和審核，根據(jù)返回的信息來判斷是否執(zhí)行開鎖操作。

最后一方面是對(duì)鍵值讀取流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要是由處理器對(duì)按鍵的AD端口數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷檢測(cè)，有效判斷是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中是否存在有效的鍵值數(shù)據(jù)。如果存在則會(huì)保存數(shù)據(jù)，在連續(xù)保存16個(gè)相同的有效鍵位后，就會(huì)確認(rèn)按下了一個(gè)有效按鍵，當(dāng)密碼輸入完成后，將其打包為數(shù)據(jù)包，再加密發(fā)送到上位控制器中，根據(jù)返回的審核信息判斷是否執(zhí)行開鎖操作。

4 系統(tǒng)性能

4.1 系統(tǒng)容量

在智能門鎖系統(tǒng)中，一幀Zigbee報(bào)文的傳輸時(shí)間通常在10 ms內(nèi)即可完成，而終端門鎖和服務(wù)平臺(tái)之間的交互需要2幀Zigbee報(bào)文。在考慮到數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包重傳的情況下，系統(tǒng)分配到門鎖的時(shí)間片大約為100 ms。另外終端門鎖的喚醒上報(bào)周期為5 s左右，所以單個(gè)信道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以管理50個(gè)終端門鎖，從而在采用4通道的Zigbee設(shè)計(jì)方案，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)200個(gè)終端門鎖進(jìn)行控制。并且由于Zigbee共有16 個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)信道，在不重復(fù)使用的情況下，對(duì)終端門鎖的管理數(shù)量可以達(dá)到800個(gè)。

4.2 系統(tǒng)能耗

由于智能門鎖系統(tǒng)的終端門鎖休眠電流僅為6 μA，其工作電流大概是22 mA，根據(jù)其每5 s喚醒一次，其工作時(shí)間則在100 ms左右，如電池容量設(shè)置為2450進(jìn)行計(jì)算，其系統(tǒng)使用時(shí)長(zhǎng)為2450/[6×0.001×（5/3600）+22×（0.1/3600）]=20171300 s，轉(zhuǎn)化為天數(shù)則是20171300/（3600×24）=233天。

4.3 系統(tǒng)安全

在應(yīng)用Zigbee技術(shù)進(jìn)行智能門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，安全性能是極為重要的，因此為了保障智能門鎖的安全得到保障，主要是應(yīng)用了基于密碼本的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，從而將無線傳輸數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。實(shí)際上該種加密方式是在普通加密基礎(chǔ)上的升級(jí)和優(yōu)化，目的是提高安全防護(hù)的可靠性，原理是將Zigbee傳輸?shù)拇跇?biāo)準(zhǔn)信息交換碼數(shù)據(jù)加密。而密碼本數(shù)據(jù)加密技術(shù)是在同域及異域基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種加密方式，所加密的數(shù)據(jù)可以通過密碼本查詢獲得。而且密碼本的數(shù)據(jù)一般是通過外部軟件隨機(jī)得到并寫入只讀存儲(chǔ)器（ROM）中，從而保障加密數(shù)據(jù)具有更高等級(jí)的安全性，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，密碼本的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多次加密計(jì)算。在設(shè)計(jì)過程中，能夠通過更改密碼本中的數(shù)據(jù)位置確保密碼安全性，通常情況下，在智能門鎖系統(tǒng)中包括256個(gè)數(shù)據(jù)，從0×00～0×ff，借助計(jì)算機(jī)軟件Excel可以對(duì)256個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)的排列，形成密碼本，即會(huì)產(chǎn)生256256個(gè)排列順序。并且設(shè)計(jì)人員為提高安全性能可以增加加密位，執(zhí)行同域或異域2次運(yùn)算，并基于加密位的增加開展運(yùn)算工作，能夠在其基礎(chǔ)上進(jìn)行加減位移等計(jì)算，進(jìn)一步提高加密數(shù)據(jù)的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，智能門鎖在千家萬戶中得到了比較廣泛的應(yīng)用，其為人們提供了便捷的服務(wù)和功能。而為保障其實(shí)際作用的發(fā)揮，需要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。在實(shí)踐過程中，對(duì)智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括終端門鎖設(shè)計(jì)、無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)、門鎖控制電路設(shè)計(jì)以及流程設(shè)計(jì)等方面，應(yīng)用ZigBee無線技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，則可以實(shí)現(xiàn)智能開鎖。同時(shí)該系統(tǒng)的容量計(jì)算和使用時(shí)間計(jì)算以及安全性能等可以為具體實(shí)用場(chǎng)合制定合理設(shè)計(jì)方案提供參考，更便于實(shí)現(xiàn)門鎖的集中監(jiān)控和管理，推動(dòng)智能門鎖系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。