基于ZigBee的無線聯網門鎖設計

王金龍+應時彥+周澤育

摘 要：為滿足門禁系統的高安全性、低功耗、安裝便捷等要求，提出了一種基于ZigBee技術的實時聯網無線門禁系統設計方案，設計了無線聯網門禁系統中的基站、無線門鎖電路，完成了相應軟件的開發及管理系統的設計。該系統特別針對無線門鎖低功耗的要求進行了軟硬件設計，因而大大降低了門鎖電量的損耗，有效延長了電池的使用壽命。實驗表明，本系統性能可靠、功耗低，具有較高的應用推廣價值。

關鍵詞：ZigBee；無線門鎖；低功耗；無線聯網

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

門禁系統作為一種管理人員進出的數字化管理系統，目前廣泛應用在智能大廈、辦公室、賓館、工廠等領域。傳統的門禁系統按照布線方式的不同可以分為兩種類型：有線門禁系統與離線門禁系統。有線門禁系統通過到每個門點進行布線來實現聯網控制，穩定性比較高，但存在線纜眾多，施工安裝麻煩，成本高等問題；離線門禁系統雖省去了有線門禁的布線問題，但由于其無法實時上傳數據并監控門禁系統狀態，安全性較低，只適合在一些對安全性要求不高的場合[1]。因此，設計出一款基于無線通訊的實時聯網門禁系統，對減少門禁系統布線量，提升現有門禁系統的美觀性、安全性與智能化水平有著重要的意義。

ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4[3]標準開發的低速率、短距離、低功耗的無線傳感網絡技術，在環境監測[4]、安防[5]等領域的應用非常廣泛。與藍牙、WiFi等其他無線傳感網絡技術相比，ZigBee在功耗方面有著獨特的優勢，非常適合應用在電池供電的、對低功耗要求特別高的無線門禁系統中。具有廣泛的應用前景。本文設計了一款基于ZigBee技術的無線門禁系統，該系統以TI（德州儀器）公司的CC2530[6]為主控芯片，基站與無線門鎖通過ZigBee技術構成無線網絡，完成數據通信和對門鎖的控制。配合門禁管理軟件，可以實現查看門禁系統的運行狀況、管理人員進出權限、查詢人員的進出記錄等功能。系統既繼承了有線門禁系統的優點，又解決了有線門禁系統中存在的復雜布線問題。滿足了當今市場對于無線門禁系統的需求。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種短距離無線通信技術，它具有體積小、成本低、功耗低和速率低等一系列優點。在低功耗待機模式下，采用兩節5號干電池供電的節點可以工作6到24個月。ZigBee的這種低功耗特性非常適合在使用電池長時間進行供電的無線門禁系統中使用。

ZigBee支持多種網絡拓撲結構，包括星型、樹型和網狀三種拓撲結構[7]。在星型拓撲結構中，每一個終端設備只能跟協調器進行通信。這種網絡拓撲具有結構簡單、組網方便、數據延遲小等優點，主要應用于結構簡單、節點少、范圍小的數據采集環境中。樹型拓撲結構中的終端設備和其他設備通訊需要通過上一級設備代為接收或轉發，實際應用場合不是很多。網狀拓撲結構是一種多跳傳輸的點對點網絡結構，網中的路由器相互路由接力轉發，使網絡覆蓋面積大大增加。而且其還具有自組織、自愈合、防碰撞、一對多、多對一的發送方式，可靠性高，使得網狀網普遍應用于實際項目中。缺點是網絡復雜、傳輸延時較大，對路由器的數據處理能力要求較強。主要應用在節點數量大、網絡覆蓋面積大的場景中，如智能樓宇中環境數據的檢測[8，9]。

2 門禁系統設計

門禁系統一般應用在酒店、宿舍、寫字樓等場合，門的節點數量基本固定，網絡覆蓋范圍中等，綜合考慮后期維護和整體成本，采用ZigBee的星型拓撲結構來進行無線組網。根據不同環境合理布置基站，可以滿足系統正常運行的要求。

無線門禁系統采用TCP/IP網絡與ZigBee無線網絡相結合的方式設計。系統結構如圖1所示。本系統由基站、無線門鎖和門禁管理軟件三部分組成。基站和門禁管理軟件所在電腦都通過以太網接入到同一個局域網內，門禁管理軟件采用B/S架構，軟件通過TCP/IP方式與基站進行數據通訊，基站與無線門鎖通過ZigBee網絡進行數據通訊。

圖1 系統結構

基站作為全功能設備FFD（Full Function Device），是重要的數據中轉站，實現ZigBee無線網絡協調器，具有通信協議轉換、數據交互、無線組網、無線通信等功能。通過TCP/IP協議，基站與門禁管理軟件完成實時數據交互的任務。經過通信協議轉換后，通過ZigBee無線網絡，基站完成無線組網和與相應的無線門鎖通信的任務。

無線門鎖作為精簡功能設備RFD（Reduced Function Device），負責實現數據收發和控制門鎖的功能，同時也必須保障安全穩定的性能。在無線網絡通暢時，保持與基站之間實時通信，及時完成門禁管理軟件下達的指定任務。在離線狀態，依然能夠保證門鎖正常工作。所有開門記錄都將保存至無線門鎖和基站的存儲單元中。

門禁管理軟件是用來對整個無線門禁系統進行管理的，由數據庫，Web服務器，通訊軟件三個部分組成。其中數據庫負責來對整個無線門禁系統的相關數據進行存儲與管理。Web服務器是門禁管理軟件的核心部分，通過Web服務器提供的服務，用戶可以通過瀏覽器登錄系統來實現對整個門禁系統進行管理。如實現對門鎖下載數據，遠程控制門鎖，實時監控每個門鎖節點的人員進出情況、開關門狀態信息，電池電量信息等功能。通訊軟件負責與系統中所有的基站進行通信，根據通訊協議下發指定的數據給基站。

3 硬件設計

3.1 基站設計

基站硬件主要分為以太網轉串口模塊、射頻模塊、存儲模塊和指示模塊四個模塊，其硬件結構如圖2所示。

圖2 基站硬件結構圖

以太網轉串口模塊采用嵌入式以太網轉串口模塊，體積小，并能十分便捷地完成以太網與串口之間的數據傳輸，滿足門禁管理軟件與基站之間的TCP/IP網絡協議數據通信要求。

射頻模塊實現ZigBee無線數據采集和無線通信的功能，采用TI公司的CC2530微控制器作為核心，完成無線網絡的組建和數據通信的功能。

存儲模塊采用型號為AT24C256N的E2PROM作為存儲單元，用于保存基站中的重要信息，包括基站基本信息、基站監管下的門鎖列表、緩存數據、實時進出記錄等。

指示模塊實現對射頻模塊和以太網轉串口模塊的監測，用于顯示當前基站的狀態，保障基站的正常運行。

3.2 無線門鎖設計

無線門鎖硬件主要有RFID讀卡模塊、時鐘模塊、射頻模塊、存儲模塊、指示模塊和電機驅動模塊六個模塊組成，硬件結構如圖3所示。

圖3 無線門鎖硬件結構圖

RFID讀卡模塊采用非接觸式13.56 MHz的MFRC522高集成度的讀寫卡芯片，將Mifire1標準IC卡作為開鎖鑰匙。在系統低功耗設計要求下，讀卡模塊通常處于休眠狀態，當有刷卡信息時，隨即喚醒系統并讀取卡片信息，完成相應動作。

時鐘模塊采用低功耗PCF8563T的CMOS實時時鐘/日歷芯片，可提供一個可編程時鐘輸出，用于系統時間設置和讀取。一個外部引腳中斷輸出，用于喚醒整個系統繼續工作。該模塊采用一個紐扣電池獨立供電，保障無線門禁在電池低電壓甚至斷電時時鐘芯片仍然保持正常工作。

射頻模塊實現ZigBee無線數據采集和無線通信，采用TI（德州儀器）的CC2530微控制器作為核心。整個系統處于休眠狀態以降低功耗。只有在有任務處理喚醒時系統會繼續工作，完成指定任務后，再次進入休眠狀態等待喚醒。

存儲模塊采用AT24C256N E2PROM作為存儲單元，用于保存無線門禁中的重要數據，包括無線門禁基本信息、卡片信息、進出記錄等。

指示模塊包含蜂鳴器、LED燈兩部分，當有相應權限的IC卡片接近時，LED閃爍提示，發出一聲短促的提示音；當完成一套正常的門鎖開關動作時，會有開門和關門音樂響起；當發現異常情況時，會發出警報提示。多種指示信息配合使用，便于管理人員日常維護，并提高門禁系統的安全性和可靠性。

電機驅動模塊采用三極管組成H橋電路，通過微控制器驅動電機正反轉，完成門鎖基本開關動作。電機通斷時間較短，降低功耗以延長電池使用壽命。

無線門鎖的供電由兩部分組成，主要部分的供電由4節5號1.5 V堿性電池負責，通過一片HT7333低壓差線性穩壓器，靜態電流約為40 uA，在系統休眠時保障極低的功耗。另一部分是獨立的紐扣電池供電，用于提供時鐘芯片電源，保障系統實時時鐘和喚醒功能。通過AD采集電池電壓量，微控制器可以實時監測當前電池狀態，當電壓過低時會反饋至門禁管理軟件，告知門禁管理人員及時更換電池，保障無線門禁系統的正常工作。

4 軟件設計

4.1 無線網絡的組建

在一個ZigBee無線網絡中，基站作為FFD全功能設備，具有協調器建立網絡的作用。當基站啟動后，進行無線網絡的組建，網絡組建成功后等待空間內的無線門鎖（ZigBee設備）的入網請求；當所請求連接的設備屬于本基站監管下的設備時，同意其接入網絡，并為該設備分配網絡地址。在本系統中，基站的網絡地址由實際應用場合進行按需分配。

無線門鎖作為RFD精簡功能設備，只進行簡單的數據收發工作，空閑時進入休眠狀態以降低功耗。無線門鎖（ZigBee設備）入網時，需要向基站提出請求，在基站收到該入網請求后根據情況判斷是否準許該設備入網。當無線門鎖成功接入所屬基站的網絡后，即可通過網絡地址進行正常的數據通信。

為保證無線通信的安全和穩定，采用AES加密處理，選擇CCM模式運作。在無線數據通信時，特別是基站向指定門鎖下達命令時，通過信息驗證確認，才能準確正式執行。

4.2 基站程序設計

本系統中，基站扮演了一個重要的數據中轉站的角色，可以說具有承上啟下的作用：從ZigBee無線網絡這一方面講，它具有協調器的功能；從TCP/IP網絡這一方面講，它具有網絡協議轉換的功能；數據的分析和命令的下達，都將由基站完成，其工作流程如圖4所示。

4.3 無線門鎖程序設計

無線門鎖設計的重點在于門鎖的低功耗，無線通信的可靠性與安全性。作為ZigBee網絡中的終端，在空閑時可進入休眠狀態以降低功耗；作為基本門鎖，當有IC卡接近時，根據卡片權限信息，完成相應動作，并將這條記錄保存并上傳至基站；當遇到異常情況時，能夠警報提示，并及時將情況反饋至門禁管理軟件，告知管理人員及時處理情況。在該系統中，充分考慮了系統在使用中的安全性，為門禁管理人員下發了一些特權卡和授權卡，具有管理員權限，應該妥善保管。如遇特殊情況時，可進行緊急開門處理；當無線通信出現故障時，也可以進行離線卡片管理操作，方便管理人員日常維護工作。同時，為保存無線通信的可靠性，采用了載波監聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）技術，防止多個門鎖及其他無線設備同時發送數據形成的干擾。無線門鎖軟件的主要工作流程圖如圖5所示。

圖4 基站工作流程圖

圖5 無線門鎖工作流程圖

4.4 門禁管理軟件設計

門禁管理軟件采用B/S架構，用戶可以通過瀏覽器來實現對整個門禁系統進行管理，可以完成實時監測門鎖通訊、電量、刷卡、異常報警等信息，實時管理不同人員的進出權限等功能。軟件基于Java EE平臺進行開發，以MySQL數據庫作為數據存儲，以Apache Tomcat 8作為服務器。為了減輕服務器的負擔，增加無線門鎖總容量與加快數據通訊的實時性，本系統中的服務器不直接與基站進行通訊，與基站的通訊由單獨的通訊軟件來完成。通訊軟件的總體工作流程如圖6所示。

通訊軟件負責與基站進行通訊，通訊的基站由管理軟件來指定。對于每一個基站，通訊軟件創建一個線程來與對應基站進行通訊。為保證系統通訊的實時性，軟件中創建了一個單獨的后臺線程來分析基站返回的數據，并將分析結果送到數據庫中。同時，為了使門鎖達到設計的低功耗要求，在正常情況下，通訊軟件不直接送命令去訪問無線門禁中的進出記錄、信號強度、門鎖電池狀態等數據，而是發送命令訪問存放在基站中的數據。因為這些數據都是門鎖在工作時主動上報給基站，正常情況下門鎖屬于睡眠狀態。

圖6 通訊軟件工作流程圖

5 結 語

本文在分析了傳統的有線門禁與離線門禁系統的優缺點的基礎上，結合ZigBee技術的短距離，低功耗結點，提出了一種ZigBee技術的門禁系統設計方案。該系統不僅具有有線門禁實時聯網、穩定性好、安全性高等優點，而且有效地解決了有線門禁系統中布線復雜的問題，安裝維修方便。無線門鎖節點按低功耗的要求進行設計，靜態電流約為40 uA，因此功耗非常低，4節干電池基本能使用一年。同時無線通訊數據傳輸采用AES等加密措施，保證聯網的安全可靠性。該系統具有安裝施工簡單、建設成本低、后期維護方便、安全性高等優點，能有效地提高現有門禁系統的服務質量，降低安裝與維護成本，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]樊明如，樊歡.基于ZigBee的門禁系統[J].南陽理工學院學報，2013，5（6）：18-21.

[2]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，19（16）：108-111.

[3]張舸，劉利強.IEEE 802.15.4協議的性能分析與仿真[J].通信電子技術，2011（5）：76-78.

[4]焦尚彬，宋丹，張青，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統[J].電子測量與儀器學報，2013，27（5）：436-442.

[5]尹玉軍，馬曉陽.一種基于ZigBee技術的智能安防報警系統[J].電子技術，2014（12）：66-68.

[6]鐘召輝.基于ZigBee的無線智能鎖系統設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2014.

[7]周曉，李杰，邊裕挺.基于無線傳感網絡的環境溫度監測系統設計[J].浙江工業大學學報，2013，41（4）：440-443.

[8]陸歡佳，俞立，董齊芬，等.基于無線傳感網的樓宇環境監測系統設計[J].浙江工業大學學報，2011，39（6）：683-687.