基于Z-Wave無線技術的指紋鎖系統設計*

陳 邦，戴聲奎，吳煌鵬

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

隨著微電子技術、傳感器技術、無線通信以及嵌入式計算等技術的飛速發展，以及物聯網概念的提出與應用推廣，短距無線通信技術得到了廣泛應用。物聯網是通過傳感設備，按照約定的協議，將物品與互聯網連接起來，進行信息傳輸通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1-2]。Z-Wave[3-4]是丹麥Zensys公司推出的一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術，具有比ZigBee更低的功耗和更高傳輸距離，在智能家居應用方面有較大優勢[5-6]。國外 Yaledigital、Baldwin及國內Followgood等公司將Z-Wave用于智能指紋門鎖上，實現了指紋門鎖的遠程控制與反饋，但是它們僅利用Z-Wave作控制，卻未用于指紋數據的傳輸。

本文將Z-Wave無線通信技術與 ARM[7-8]嵌入式技術結合運用于酒店指紋密碼鎖上，旨在實現遠程控制和指紋數據傳輸，設計一種應用于酒店客戶的無線智能指紋鎖方案，方便酒店人員對門鎖進行管理和控制，具有廣闊的應用前景。

1 系統總體結構設計

系統總體結構如圖1所示，由前端、中端、后端三部分組成。系統前端為Z-Wave指紋門鎖，是該系統的核心部分，用于采集用戶指紋及密碼等輸入、開關門禁、防撬警報等。系統中端為Z-Wave路由節點，用于接力無線信號和傳輸路徑選擇，該路由節點可為市場上已有非電池供電類Z-Wave認證產品，如Z-Wave燈座等。系統后端由PC上位機管理控制可視化軟件與Z-Wave USB Dongle插件組成，本文設計采用Aeon Labs公司生產的Z-Stick[9]作為PC控制終端接收的插件。

圖1 系統框圖

系統的用戶信息傳輸及驗證流程如下：用戶在后端PC上進行指紋采集、密碼設置等信息登記，通過連接PC的Z-Stick將指紋、密碼等數據通過無線方式發送給目標門鎖。如果目標門鎖距離不在Z-Stick直接傳輸的范圍內，Z-Stick會通過路由節點經過多跳轉發給目標門鎖。最終門鎖接收到數據信息并保存。當用戶開門時輸入指紋或密碼，門鎖內的ARM處理器會對輸入信息與保存在存儲器內的數據進行比對，驗證通過則為用戶開鎖。

系統的遠程控制、警報等信號傳輸流程與上述信息傳輸類似。用戶使用記錄、警報等信息上傳為上述信息傳輸的逆過程，由前端往后端傳輸。傳輸結束后，系統將自動進入低功耗休眠狀態，等待外部信號（指紋、鍵盤、無線、防撬觸動等）以外部中斷方式喚醒系統，從而使系統進入正常工作狀態。

2 系統硬件設計

系統硬件結構如圖2所示，主要包括主控制器S3C2440和存儲器模塊、電源管理模塊、Z-Wave無線通信模塊、指紋采集和矩陣鍵盤輸入模塊、電機驅動模塊等。系統硬件分為ARM核心板、Z-Wave無線通信板和外圍電路擴展底板。1.2 V電源為ARM內核供電、1.8 V/2.5 V/3.3 V電源為存儲器供電、3.3 V電源為IO和Z-Wave供電、5 V電源為U盤/SD卡/指紋采集模塊/LED背光供電、12 V電源為電機驅動電路供電。當用戶通過指紋采集模塊為輸入正確的指紋或是通過矩陣鍵盤輸入正確的開鎖密碼，以及PC端通過遠程為用戶發出開鎖信號時，系統會驅動電機為用戶開鎖。鍵盤輸入時，系統會為用戶開啟LED背光，并伴有蜂鳴器發出的按鍵音提示。倘若防撬開關被觸動，系統會立即向后端發送無線警報信號。SD卡和U盤接口為當無線傳輸不可用時，用于人工插入外部存儲設備并導入用戶指紋、密碼設置以及系統程序的更新升級。

2.1 核心處理器選擇

由于本文門鎖系統工作在電池供電及指紋數據運算等情況下，要求系統核心控制器具有較低功耗，有較強的運算能力且具有豐富的硬件接口。綜合考慮，核心處理器選擇三星公司的基于ARM920T內核的32位RISC微控制器 S3C2440[8]，其具有豐富的片上資源(如16 KB指令Cache、16 KB數據Cache等)和外部硬件接口（IIC、SPI、USART 等）。

2.2 無線通信模塊電路

無線通信模塊電路如圖 3(a)所示，包括Z-Wave模塊ZM3102[3]、EEPROM以及天線和匹配電路。Sigma Designs公司開發的ZM3102模塊是一塊高度集成的射頻通信模塊，載有ZW0301芯片、晶振、射頻前端和電源濾波，通過異步串行接口與外部數據通信，其實物如圖3(b)所示。無線通信模塊板上的非易失性外部存儲EEPROM用于存儲Z-Wave網絡節點信息、網絡拓撲信息等使得重新上電后依然保持掉電前的網絡狀態。由于鎖體被安裝嵌入至門內與墻體相連，并且鎖體外殼為金屬材質，對電磁信號有強屏蔽作用，增加了對無線信號的阻礙，故將天線接口設計成SMA接口，便于將天線引至鎖體外表面。

3 Z-Wave網絡與軟件架構

Zensys公司提供的Z-Wave軟件開發工具箱（SDK），其不同的版本對不同系列芯片的組網與通信功能有所區別。本文基于SDK版本04.54.01進行無線通信功能開發。

3.1 Z-Wave網絡

圖3 無線通信模塊電路及ZM3102實物

圖4 Z-Wave網絡拓撲圖

如圖 4所示，Z-Wave網絡是一種最多支持232個節點的網狀結構網絡（Mesh Network），Z-Wave協議規定網絡由兩種基本設備組成：控制節點（Controller）和從節點（Slave）。Controller能夠建立、管理、維護網絡，能夠向Slave發出網絡命令；Slave是接收命令的節點，提供傳感數據或者執行命令響應。Controller又被分為便攜式的（Portable）、靜止的（Static）及橋接（Bridge）3類；Slave可以分為 3類：普通的、路由型（Routing）、增強型（Enhanced）。建立Z-Wave網絡，要求必須要有一個Controller。本文中以后端的Z-Stick作為Controller進行網絡組建，按加入節點的順序為節點分配Node ID，ZStick的Node ID=1（默認）。Slave也可根據供電方式分為市電供電和電池供電兩類，特別注意電池供電類Slave無法進行路由選擇和中繼，如本文中的門鎖設備。

3.2 Z-Wave軟件架構

圖5 Z-Wave軟件架構

Z-Wave SDK提供方便開發的軟件架構、應用程序接口（API）及程序流程，如圖5所示。系統上電后進行系統建立（System Startup）、硬件初始化（ApplicationInitHW）配置硬件環境、軟件初始化（ApplicationInitSW）設置通信模式、速率、網絡信息、從EEPROM里讀取節點信息等，接著進入主循環（ApplicationPoll），最終調用 Z-Wave協議棧[10]。

主循環程序以switch-case編寫的狀態機方式等待、接收、分析、回應等處理串口數據幀。若硬件初始化失敗則進入測試主體（ApplicationTestPoll）。模塊天線接收到信息并正確解析后，將以中斷方式調用ApplicationCommandHandler來進一步對信息幀進行處理。在組網或者是網絡信息變更時，Controller和Slave節點會分別調用ApplicationControllerUpdate和ApplicationSlaveUpdate更新響應。

4 數據傳輸

ARM主控制器以波特率115 200 b/s、8 bit無校驗數據位、1 bit停止位方式通過異步串行口(UART)與Z-Wave無線模塊進行通信。其幀定義如圖6所示，幀頭SOF為0x01，長度LEN為除SOF和CHECKSUM外所有的數據字節數，類型TYPE有兩種：請求REQ(0x00)和應答RES(0x01)，命令COMMAND為SDK規定的命令類型，負載PAYLOAD為應用數據，校驗CHECKSUM是0xFF與除SOF和CHECKSUM外所有的數據進行“異或”運算。

圖6 Z-Wave串口幀格式

本文設計的指紋鎖采集一枚用戶指紋的數據大小為1 600 B，在使用Z-Wave進行數據傳輸時需要將指紋數據分段成多個幀。由于Z-Wave無線傳輸的數據幀長度限制，除去協議幀頭、長度、命令校驗等，考慮到應用層協議也將消耗多個字節，本文方案設定每一幀傳輸的指紋數據量為40 B，分成40次傳輸。指紋數據傳輸流程與控制如圖7所示，數據傳輸初始先發送一幀總的信息幀，包含用戶 ID、密碼、數據幀數量和定義、時間戳等內容，接著發送指紋數據。每一幀數據發送后都會等待接收方回復確認（ACK）再發送下一幀，直至所有數據發送完畢。如果未能收到接收方的ACK，則停留100 ms后再次嘗試發送該幀，最多可嘗試5次。

圖7 數據傳輸程序流程圖

5 系統傳輸測試結果

在室內、走道等建筑體內部環境的不同距離下進行實驗測試，測試以每組20次傳輸為基礎，一共傳輸820幀（16 800 B）數據，最后統計取平均數做為結果，傳輸丟包率與傳輸距離的關系如表1所示，其中A項數據為用PCB天線傳輸測得，B項數據為外接天線測得。

表1 幀出錯率測試結果

從測試結果可以看出：由于受建筑內部室內墻體、走道拐角等環境因素的影響，在傳輸距離增大時，節點間數據傳輸的出錯概率加大。在不加功率放大(PA)的情況下，Z-Wave無線信號傳輸距離有限，板載PCB天線與外接天線在傳輸性能上有所差異，PCB天線傳輸距離約為25 m，外接天線時傳輸距離有一定提高，能達到30 m以上。為減少數據錯誤率和丟幀率，保證數據傳輸的高效性和可靠性，節點間隔較大時應適當加入中繼節點，或者考慮使用PA對信號功率放大以增加傳輸距離。

測試過程中使用了Sigma Designs公司提供的無線偵聽測試軟件Zniffer，選用一個設備節點燒錄sniffer_ZW030x固件，通過RS232串口線與PC連接，PC客戶端Zniffer能夠解析偵聽設備并捕捉到節點間傳輸信息。該軟件能夠輔助分析數據出錯的原因，實驗驗證了方案設計的可行性和有效性。

本文將Z-Wave無線通信技術和ARM嵌入式技術與指紋鎖結合，設計并實現了一種酒店應用的智能化的無線指紋鎖管理控制系統，彌補了現有指紋鎖無法遠程傳輸指紋的不足，拓寬了指紋鎖的功能與應用范圍，提高了實用性與可靠性。

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程（第2版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：1－4.

[2]吳帆，楊之樂，林小玲，等.一種嵌入式無線車輛信息采集系統設計[J].傳感器與微系統，2013，32(2)：116－121.

[3]Zensys.ZM3120C Z-Wave module datasheet[EB/OL].[2007-04-23].http：//z-wavesupport.sigmadesigns.com.

[4]劉晗.基于 Z-wave技術的智能家居系統設計[D].上海：復旦大學，2012.

[5]趙敏，常杰，孫棣華.基于 ZigBee和ARM的分布式 RFID信息采集系統的設計[J].傳感器與微系統，2011，30(9)：105-108.

[6]彭建華，王新.ZigBee與Z-Wave通信技術比較研究[J].山西電子技術，2012(4)：62-64.

[7]于明．ARM9嵌入式系統設計[M]．北京：電子工業出版社，2007.

[8]S3C2440A 32-bit RISC microprocessor user′s manual(preliminary)[EB/OL].[2004-06-03].http//：www.samsung.com.

[9]Aeotec Z-Stick series 2[EB/OL].[2012-08-13].http：//aeotec.com/z-wave-usb-stick.

[10]Zensys.Z-Wave ZW0201/ZW0301 application program guide(v4.54.01)[EB/OL].[2012-06-01].http：//z-wavesupport.sigmadesigns.com.