基于ARM和ZigBee的無線門禁控制系統

遼寧機電職業技術學院，遼寧丹東 118009

一、引言

隨著信息技術以及社會經濟的高速發展，丹東各個小區都開始采用門禁管理系統，門禁系統是新型現代化公共安全管理系統，是重要部門出入口實現安全防范管理的有效保障?，F有的門禁系統大多采用有線通信。有線門禁具有安全、穩定性好、易于實現等優點；但同時有線通信方式具有初裝費用高、施工時間長、無法移動、變更余地小、維護費用高、覆蓋面積小、擴展困難等缺陷。

隨著ZigBee技術的發展，人們將ZigBee技術引入了門禁系統之中。它容易安裝，組網方便，即插即用，可移動性強，解除了傳輸線對通信網絡的束縛。無線門禁系統將成為未來門禁系統發展的重要方向[1]。

本文設計了一套無線門禁控制系統，系統基于ZigBee技術，使用ARM處理器和JMY-502射頻讀寫模塊進行門禁讀卡器設計。硬件方面實現了射頻讀卡模塊設計、ZigBee控制器與ZigBee端點無線通信。軟件方面使用C#語言和SQL數據庫實現上位機軟件系統管理門禁。系統已在丹東萬達小區門禁系統實施完整控制，取得了良好的效果。

二、無線門禁控制系統硬件原理

系統以硬件采用ARM Cortex－M3內核結構的低功耗、高性能嵌入式芯片STM32F103作為ZigBee主控制器，再加上CC2530為主構成的ZigBee端點，通過無線收集收數據后，統一用計算機進行管理。系統結構示意如圖1所示。各個門禁端點控制器之間相互組成樹狀網絡，并且控制器自身可以作為路由節點，與設置在網絡控制器內部的協調器節點組成ZigBee無線傳感網絡。網絡控制器匯集整個門禁系統的信息，進行相應處理，通過串行通信收集到計算機中，通過一個門禁管理軟件對數據庫進行管理，就能很方便的對整個系統進行管理與控制。

1、ZigBee無線通信電路

單元門的ZigBee通信部分采用TI公司的CC2530通信芯片，再通過CC2591芯片放大信號，TI公司提供的開源協議棧ZStack作為自組網通信協議，構建樹狀網絡[2]。

CC2530是真正集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用一體的芯片系統，它以低功耗、低成本建立強大的網絡節點。CC2530集成了RF收發器以及經典的8051單片機，CC2530F256片內有256KB flash和RAM。有多種工作模式，保證超低功耗。模式轉換時間短，更加達到低功耗。該芯片利用ZigBee協議?？梢院唵瓮昝罉嫵蔁o線通信系統。只需一個晶振，即可滿足網狀網絡系統的需要。經過CC2591芯片的放大，可靠傳輸距離400m，自動重新連接距離為350m。CC2591芯片是德州儀器(TI)推出的產品，一般用于射頻前端的功率放大、低噪聲放大電路[3]。

2、ZigBee控制器硬件

ZigBee控制器的ARM核心板控制部分、按鍵、射頻卡模塊及觸摸屏控制部分如圖2所示。本系統使用的控制芯片是TI公司推出的ARM Cortex M3系列的STM32F103，這歀微處理器是首款基于ARM7框架的32位標準RISC(精簡指令集)處理器，可提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統的存儲空間上發揮了ARM內核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內置高達128K字節的Flash存儲器和20K字節的SRAM，具有豐富的通用I/O端口。

STM32F103系列微處理器主要資源和特點如下：

（1）多達51個快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16個外部中斷，幾乎所有端口都允許5V信號輸入；

（2）2個12位模數轉換器，多達16個外部輸入通道，可方便的測量處理器溫度值；

（3）靈活的7路通用DMA可以管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備的數據傳輸。它支持的外設包括：定時器、ADC、SPI、I2C和USART等；

（4）調試模式支持標準的20腳JTAG仿真調試以及針對Cortex-M3內核的串行單線調試(SWD)功能。通常默認的調試接口是JTAG接口；

（5）內部包含多達7個定時器；

（6）含有豐富的通信接口有3個USART異步串行通信接口、2個I2C接口、2個SPI接口、1個CAN接口和1個USB接口，為實現數據通信提供了保證[4]。

3、射頻卡模塊

由MFRC522、濾波電路和天線等組成。MFRC522是一個讀卡器集成電路，支持13.65MHz的無線通訊，與無線卡之問通過ISO/IEC 14443的TYPE A的射頻接口進行通訊。實現非接讀卡器讀MIFARE卡的系統。MFRC522與外界通信可以支持多種接口，包括SPI、I2C、UART接口，文中使用串行接口方式。

三、門禁控制系統軟件設計

ZigBee端點和主控器程序框圖如圖3所示。下位機軟件采用IAR system嵌入軟件開發環境開發平臺能夠生成代碼高效緊密，具有很多豐富的庫函數，采用單片機C語言開發。

網絡控制器主要是負責與各個端點控制器交互，并與上層PC端進行通信，實現上行下行命令信息傳輸。

上位機軟件方面采用客戶端和服務器結構，使用.NET環境，編程語言用C#，數據存儲使用SQL2005軟件。用戶以客戶端訪問服務器，達到對整個門禁系統實施完整控制。上位機軟件主要有ZigBee通信和數據存儲管理兩功能。服務器擁有固定的IP地址，上位機軟件一直監聽服務端口，當ZigBee控制器有請求發生，服務器建立連接。在收到ZigBee控制器的數據后，根據指定的上下行命令幀格式，對接收到的數據進行解析并將其存入后臺的SQL庫里。上位機的功能結構如圖4所示[5]。

四、系統測試

系統集成后，業主ZigBee端點單元測試顯示畫面如圖5所示?？梢钥闯觯瑯I主在家中就可以看到外來人員，可以控制門禁。小區監控室上位機系統管理軟件界面如圖6所示。主要有門禁卡查詢，門禁權限管理、人員管理、數據管理等。經測試，本文所設計的系統方案簡單，功能強大，實現了居民小區門禁系統安全可靠地管理。

五、結論

本文提出用對無線門禁系統，該系統能夠實現基本的預定功能，對于被授權用戶能夠通過刷卡或者輸入密碼打開門禁，非授權用戶能夠通過無線語音系統向住戶發出進入請求，在經過允許后可以進入樓內，當系統遭到非法入侵時，能夠主動向保安中心緊急報警。該軟件界面簡單易用，界面友好，功能完備，適合門禁管理人員使用。