基于ZigBee的无线联网门锁设计

王金龙+应时彦+周泽育

摘 要：为满足门禁系统的高安全性、低功耗、安装便捷等要求，提出了一种基于ZigBee技术的实时联网无线门禁系统设计方案，设计了无线联网门禁系统中的基站、无线门锁电路，完成了相应软件的开发及管理系统的设计。该系统特别针对无线门锁低功耗的要求进行了软硬件设计，因而大大降低了门锁电量的损耗，有效延长了电池的使用寿命。实验表明，本系统性能可靠、功耗低，具有较高的应用推广价值。

关键词：ZigBee；无线门锁；低功耗；无线联网

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

门禁系统作为一种管理人员进出的数字化管理系统，目前广泛应用在智能大厦、办公室、宾馆、工厂等领域。传统的门禁系统按照布线方式的不同可以分为两种类型：有线门禁系统与离线门禁系统。有线门禁系统通过到每个门点进行布线来实现联网控制，稳定性比较高，但存在线缆众多，施工安装麻烦，成本高等问题；离线门禁系统虽省去了有线门禁的布线问题，但由于其无法实时上传数据并监控门禁系统状态，安全性较低，只适合在一些对安全性要求不高的场合[1]。因此，设计出一款基于无线通讯的实时联网门禁系统，对减少门禁系统布线量，提升现有门禁系统的美观性、安全性与智能化水平有着重要的意义。

ZigBee[2]是一种基于IEEE802.15.4[3]标准开发的低速率、短距离、低功耗的无线传感网络技术，在环境监测[4]、安防[5]等领域的应用非常广泛。与蓝牙、WiFi等其他无线传感网络技术相比，ZigBee在功耗方面有着独特的优势，非常适合应用在电池供电的、对低功耗要求特别高的无线门禁系统中。具有广泛的应用前景。本文设计了一款基于ZigBee技术的无线门禁系统，该系统以TI（德州仪器）公司的CC2530[6]为主控芯片，基站与无线门锁通过ZigBee技术构成无线网络，完成数据通信和对门锁的控制。配合门禁管理软件，可以实现查看门禁系统的运行状况、管理人员进出权限、查询人员的进出记录等功能。系统既继承了有线门禁系统的优点，又解决了有线门禁系统中存在的复杂布线问题。满足了当今市场对于无线门禁系统的需求。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，它具有体积小、成本低、功耗低和速率低等一系列优点。在低功耗待机模式下，采用两节5号干电池供电的节点可以工作6到24个月。ZigBee的这种低功耗特性非常适合在使用电池长时间进行供电的无线门禁系统中使用。

ZigBee支持多种网络拓扑结构，包括星型、树型和网状三种拓扑结构[7]。在星型拓扑结构中，每一个终端设备只能跟协调器进行通信。这种网络拓扑具有结构简单、组网方便、数据延迟小等优点，主要应用于结构简单、节点少、范围小的数据采集环境中。树型拓扑结构中的终端设备和其他设备通讯需要通过上一级设备代为接收或转发，实际应用场合不是很多。网状拓扑结构是一种多跳传输的点对点网络结构，网中的路由器相互路由接力转发，使网络覆盖面积大大增加。而且其还具有自组织、自愈合、防碰撞、一对多、多对一的发送方式，可靠性高，使得网状网普遍应用于实际项目中。缺点是网络复杂、传输延时较大，对路由器的数据处理能力要求较强。主要应用在节点数量大、网络覆盖面积大的场景中，如智能楼宇中环境数据的检测[8，9]。

2 门禁系统设计

门禁系统一般应用在酒店、宿舍、写字楼等场合，门的节点数量基本固定，网络覆盖范围中等，综合考虑后期维护和整体成本，采用ZigBee的星型拓扑结构来进行无线组网。根据不同环境合理布置基站，可以满足系统正常运行的要求。

无线门禁系统采用TCP/IP网络与ZigBee无线网络相结合的方式设计。系统结构如图1所示。本系统由基站、无线门锁和门禁管理软件三部分组成。基站和门禁管理软件所在电脑都通过以太网接入到同一个局域网内，门禁管理软件采用B/S架构，软件通过TCP/IP方式与基站进行数据通讯，基站与无线门锁通过ZigBee网络进行数据通讯。

图1 系统结构

基站作为全功能设备FFD（Full Function Device），是重要的数据中转站，实现ZigBee无线网络协调器，具有通信协议转换、数据交互、无线组网、无线通信等功能。通过TCP/IP协议，基站与门禁管理软件完成实时数据交互的任务。经过通信协议转换后，通过ZigBee无线网络，基站完成无线组网和与相应的无线门锁通信的任务。

无线门锁作为精简功能设备RFD（Reduced Function Device），负责实现数据收发和控制门锁的功能，同时也必须保障安全稳定的性能。在无线网络通畅时，保持与基站之间实时通信，及时完成门禁管理软件下达的指定任务。在离线状态，依然能够保证门锁正常工作。所有开门记录都将保存至无线门锁和基站的存储单元中。

门禁管理软件是用来对整个无线门禁系统进行管理的，由数据库，Web服务器，通讯软件三个部分组成。其中数据库负责来对整个无线门禁系统的相关数据进行存储与管理。Web服务器是门禁管理软件的核心部分，通过Web服务器提供的服务，用户可以通过浏览器登录系统来实现对整个门禁系统进行管理。如实现对门锁下载数据，远程控制门锁，实时监控每个门锁节点的人员进出情况、开关门状态信息，电池电量信息等功能。通讯软件负责与系统中所有的基站进行通信，根据通讯协议下发指定的数据给基站。

3 硬件设计

3.1 基站设计

基站硬件主要分为以太网转串口模块、射频模块、存储模块和指示模块四个模块，其硬件结构如图2所示。

图2 基站硬件结构图

以太网转串口模块采用嵌入式以太网转串口模块，体积小，并能十分便捷地完成以太网与串口之间的数据传输，满足门禁管理软件与基站之间的TCP/IP网络协议数据通信要求。

射频模块实现ZigBee无线数据采集和无线通信的功能，采用TI公司的CC2530微控制器作为核心，完成无线网络的组建和数据通信的功能。

存储模块采用型号为AT24C256N的E2PROM作为存储单元，用于保存基站中的重要信息，包括基站基本信息、基站监管下的门锁列表、缓存数据、实时进出记录等。

指示模块实现对射频模块和以太网转串口模块的监测，用于显示当前基站的状态，保障基站的正常运行。

3.2 无线门锁设计

无线门锁硬件主要有RFID读卡模块、时钟模块、射频模块、存储模块、指示模块和电机驱动模块六个模块组成，硬件结构如图3所示。

图3 无线门锁硬件结构图

RFID读卡模块采用非接触式13.56 MHz的MFRC522高集成度的读写卡芯片，将Mifire1标准IC卡作为开锁钥匙。在系统低功耗设计要求下，读卡模块通常处于休眠状态，当有刷卡信息时，随即唤醒系统并读取卡片信息，完成相应动作。

时钟模块采用低功耗PCF8563T的CMOS实时时钟/日历芯片，可提供一个可编程时钟输出，用于系统时间设置和读取。一个外部引脚中断输出，用于唤醒整个系统继续工作。该模块采用一个纽扣电池独立供电，保障无线门禁在电池低电压甚至断电时时钟芯片仍然保持正常工作。

射频模块实现ZigBee无线数据采集和无线通信，采用TI（德州仪器）的CC2530微控制器作为核心。整个系统处于休眠状态以降低功耗。只有在有任务处理唤醒时系统会继续工作，完成指定任务后，再次进入休眠状态等待唤醒。

存储模块采用AT24C256N E2PROM作为存储单元，用于保存无线门禁中的重要数据，包括无线门禁基本信息、卡片信息、进出记录等。

指示模块包含蜂鸣器、LED灯两部分，当有相应权限的IC卡片接近时，LED闪烁提示，发出一声短促的提示音；当完成一套正常的门锁开关动作时，会有开门和关门音乐响起；当发现异常情况时，会发出警报提示。多种指示信息配合使用，便于管理人员日常维护，并提高门禁系统的安全性和可靠性。

电机驱动模块采用三极管组成H桥电路，通过微控制器驱动电机正反转，完成门锁基本开关动作。电机通断时间较短，降低功耗以延长电池使用寿命。

无线门锁的供电由两部分组成，主要部分的供电由4节5号1.5 V碱性电池负责，通过一片HT7333低压差线性稳压器，静态电流约为40 uA，在系统休眠时保障极低的功耗。另一部分是独立的纽扣电池供电，用于提供时钟芯片电源，保障系统实时时钟和唤醒功能。通过AD采集电池电压量，微控制器可以实时监测当前电池状态，当电压过低时会反馈至门禁管理软件，告知门禁管理人员及时更换电池，保障无线门禁系统的正常工作。

4 软件设计

4.1 无线网络的组建

在一个ZigBee无线网络中，基站作为FFD全功能设备，具有协调器建立网络的作用。当基站启动后，进行无线网络的组建，网络组建成功后等待空间内的无线门锁（ZigBee设备）的入网请求；当所请求连接的设备属于本基站监管下的设备时，同意其接入网络，并为该设备分配网络地址。在本系统中，基站的网络地址由实际应用场合进行按需分配。

无线门锁作为RFD精简功能设备，只进行简单的数据收发工作，空闲时进入休眠状态以降低功耗。无线门锁（ZigBee设备）入网时，需要向基站提出请求，在基站收到该入网请求后根据情况判断是否准许该设备入网。当无线门锁成功接入所属基站的网络后，即可通过网络地址进行正常的数据通信。

为保证无线通信的安全和稳定，采用AES加密处理，选择CCM模式运作。在无线数据通信时，特别是基站向指定门锁下达命令时，通过信息验证确认，才能准确正式执行。

4.2 基站程序设计

本系统中，基站扮演了一个重要的数据中转站的角色，可以说具有承上启下的作用：从ZigBee无线网络这一方面讲，它具有协调器的功能；从TCP/IP网络这一方面讲，它具有网络协议转换的功能；数据的分析和命令的下达，都将由基站完成，其工作流程如图4所示。

4.3 无线门锁程序设计

无线门锁设计的重点在于门锁的低功耗，无线通信的可靠性与安全性。作为ZigBee网络中的终端，在空闲时可进入休眠状态以降低功耗；作为基本门锁，当有IC卡接近时，根据卡片权限信息，完成相应动作，并将这条记录保存并上传至基站；当遇到异常情况时，能够警报提示，并及时将情况反馈至门禁管理软件，告知管理人员及时处理情况。在该系统中，充分考虑了系统在使用中的安全性，为门禁管理人员下发了一些特权卡和授权卡，具有管理员权限，应该妥善保管。如遇特殊情况时，可进行紧急开门处理；当无线通信出现故障时，也可以进行离线卡片管理操作，方便管理人员日常维护工作。同时，为保存无线通信的可靠性，采用了载波监听多路访问/冲突防止（CSMA/CA）技术，防止多个门锁及其他无线设备同时发送数据形成的干扰。无线门锁软件的主要工作流程图如图5所示。

图4 基站工作流程图

图5 无线门锁工作流程图

4.4 门禁管理软件设计

门禁管理软件采用B/S架构，用户可以通过浏览器来实现对整个门禁系统进行管理，可以完成实时监测门锁通讯、电量、刷卡、异常报警等信息，实时管理不同人员的进出权限等功能。软件基于Java EE平台进行开发，以MySQL数据库作为数据存储，以Apache Tomcat 8作为服务器。为了减轻服务器的负担，增加无线门锁总容量与加快数据通讯的实时性，本系统中的服务器不直接与基站进行通讯，与基站的通讯由单独的通讯软件来完成。通讯软件的总体工作流程如图6所示。

通讯软件负责与基站进行通讯，通讯的基站由管理软件来指定。对于每一个基站，通讯软件创建一个线程来与对应基站进行通讯。为保证系统通讯的实时性，软件中创建了一个单独的后台线程来分析基站返回的数据，并将分析结果送到数据库中。同时，为了使门锁达到设计的低功耗要求，在正常情况下，通讯软件不直接送命令去访问无线门禁中的进出记录、信号强度、门锁电池状态等数据，而是发送命令访问存放在基站中的数据。因为这些数据都是门锁在工作时主动上报给基站，正常情况下门锁属于睡眠状态。

图6 通讯软件工作流程图

5 结 语

本文在分析了传统的有线门禁与离线门禁系统的优缺点的基础上，结合ZigBee技术的短距离，低功耗结点，提出了一种ZigBee技术的门禁系统设计方案。该系统不仅具有有线门禁实时联网、稳定性好、安全性高等优点，而且有效地解决了有线门禁系统中布线复杂的问题，安装维修方便。无线门锁节点按低功耗的要求进行设计，静态电流约为40 uA，因此功耗非常低，4节干电池基本能使用一年。同时无线通讯数据传输采用AES等加密措施，保证联网的安全可靠性。该系统具有安装施工简单、建设成本低、后期维护方便、安全性高等优点，能有效地提高现有门禁系统的服务质量，降低安装与维护成本，具有广阔的应用前景。

参考文献

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