一種基于ZigBee的聯網型無線門鎖系統設計

應時彥，周澤育，梅一珉(浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023)

一種基于ZigBee的聯網型無線門鎖系統設計

應時彥，周澤育，梅一珉
(浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023)

基于ZigBee無線通信與互聯網技術，開發了一款低功耗的聯網型無線門鎖系統.無線門鎖具有RFID卡片開門、數據交互、異常報警等功能，門鎖管理系統軟件實現對聯網門鎖的時間同步、授權管理、參數設置和電池監控，也可以通過移動端門禁管理應用進行遠程監控.本系統的最大特點是實現了實時聯網和門鎖的低功耗設計，滿足了市場上對安全高效聯網型無線門鎖系統的需求.測試結果表明：系統性能穩定可靠，具有較高的推廣應用價值.

ZigBee；無線門鎖；低功耗

“物聯網”技術的迅猛發展，正在引導一場深刻的信息社會變革，在智能家居、智慧城市和安防監控等領域發揮了重要的作用，如面向物聯網的突發事件應急物資的管理平臺[1]、停車場管理系統等實際應用場景.無線聯網門鎖系統作為“物聯網”技術的一個典型應用，更具有其獨特的優點.目前，有線門禁系統在整個門禁系統市場中仍占有較高的配額，但由于其布線復雜、維護困難和成本高而逐步處于劣勢；普通無線門鎖雖省去了布線的困擾，但是無法實時監控門鎖狀態，安全性很低.無線聯網型門鎖系統是解決成本和安全的最有效方案，通過對數據收集、整合和分析，實時監控無線門鎖狀態.通過對門禁系統的實時監控，對門鎖終端收集的數據進行融合，在估計人員進出流量、重點關口監控和人員考勤等方面表現出色，特別適合于宿舍、出租房、辦公樓和酒店等場所.通過市場調研發現，由于無線門鎖采用干電池供電方式工作，因此在持久工作續航方面也亟待改進.本課題將研究整個無線門鎖系統的統一管理監控，通過對門禁系統的軟硬件協同設計，深入研究ZigBee無線通信技術，并實現門禁系統的超低功耗要求.

1 系統設計

無線聯網門鎖系統主要設備包括上位機、無線基站、無線聯網門鎖和發卡器等，主要管理平臺有上位機網頁端門鎖管理軟件和移動端門禁管理應用.無線聯網門鎖系統結構如圖1所示，整個系統主要包含三部分網絡結構：一是上位機與無線基站之間以及門禁管理軟件終端的有線網絡，采用TCP/IP協議通信；二是基站與門鎖之間的無線網絡，采用ZigBee無線通信技術.整合系統平臺應用，統一接口，能夠快速方便地獲取所需的數據，提高系統通信效率[2]；三是上位機與移動終端構成的WIFI網絡，移動終端通過WIFI網絡與上位機建立連接，完成相應的查詢、管理等操作.

圖1 無線聯網門鎖系統結構圖Fig.1 The diagram of networking wireless lock system structure

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線傳感網絡技術，相比與藍牙、WIFI等其他的無線傳感網絡技術，在功耗方面ZigBee有優勢，在使用電池供電的低功耗無線門禁系統中十分適用；其次ZigBee具有很好的抗干擾能力，可在較復雜的環境下工作[3-4].

ZigBee網絡拓撲結構主要包括星型、樹形和網狀三種拓撲結構.星型拓撲結構中每一個終端設備只能和協調器通信，具有結構簡單、組網便捷和數據延遲小等優點，主要應用于結構輕便、節點少和通信范圍小的數據采集環境中；樹形拓撲結構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；網狀拓撲結構是一種多跳傳輸的點對點網絡結構，數據通過網絡中的路由器相互路由接力轉發，增大網絡覆蓋面積，具有自組織、自愈合和防碰撞的特點，其缺點是網絡復雜、傳輸延時大，對路由器的數據處理能力要求較強[5-7].

無線聯網門鎖系統可應用于宿舍、出租房、辦公樓和酒店等場合.在這些應用環境中，由于房間數量眾多，門鎖分布集中、位置相對固定等特點，無線網絡分布參數較為穩定，因此選擇較為簡單實用的星型網絡拓撲結構.無線門鎖作為ZigBee終端設備，無線基站則充當協調器負責整個網絡的組建和管理.根據不同的實際應用環境，通過合理布置無線基站節點位置，保證所有無線門鎖都能正常接入ZigBee無線網絡中.

本系統不但要求實時聯網，也必須滿足低功耗要求.無線門鎖在大部分時間CPU和各個工作模塊都處于睡眠狀態，僅當有任務時才喚醒CPU完成相應的工作.所以當ZigBee網絡成功組建完成后，整個網絡的活躍度將取決與來自無線門鎖被喚醒時發出的數據請求.當基站接收到某個門鎖的數據請求后，將數據再次打包封裝后通過TCP/IP協議發送至上位機，由上位機決定相應的數據或命令的下達.門鎖管理軟件的數據庫采用MySQL，HTTP服務器采用Apache Tomcat 8，使用B/S架構的Java EE平臺開發，由單獨的通訊軟件負責完成與基站的通訊；對于每一個無線基站，創建一個線程來進行數據交互；各個基站反饋的數據由一個單獨的后臺線程來分析，呈現可視化數據分析結果并將數據同步到數據庫[8].門鎖管理軟件通過TCP/IP協議訪問各個基站，并保持與無線門鎖的數據通訊，可完成門鎖的時間同步、授權管理、參數設置和電池監控等功能，具有十分豐富的管理操作，適合門禁管理人員日常維護使用.而移動端門禁管理應用可實現狀態監測、記錄查詢和遠程控制等功能.

本系統通過多種安全措施，保證人員和財產的安全：保存每次門鎖進出記錄，便于上位機進行查詢；加強卡片權限管理，當非法卡多次試圖刷卡開門后，記錄卡號黑名單并觸發異常報警；完善電池監控功能，對不同電壓可選擇不同工作模式，當電池低電時提示維護人員及時更換電池；當門鎖沒有關好時，將發出提示音，提醒人員進行處理.

2 軟硬件設計

2.1 無線基站設計

無線基站是重要的數據中轉站，扮演了承上啟下的角色，完成通信協議在TCP/IP網絡和ZigBee無線網絡之間的相互轉換，具有無線組網、數據交互和通信協議轉換等功能，主要可分為微控制器、電源模塊、以太網轉串口模塊和存儲模塊，其硬件結構如圖2所示.

圖2 無線基站硬件結構圖Fig.2 The diagram of wireless station hardware structure

以太網轉串口模塊采用嵌入式以太網串口數據轉換模塊，通信最高波特率高達230.4 kbps.

電源模塊采用K7803穩壓芯片，可提供整個系統工作所需的電壓.

存儲模塊主要用于保存基站下管理的門鎖列表、進出記錄等重要數據，采用I2C總線串行存儲器，掉電不丟失數據.

CC2530微控制器具有低功耗8051微控制器內核，可滿足2.4 GHz IEEE802.15.4，ZigBee，RF4CE應用.

無線基站作為數據中轉站：向下表現為建立ZigBee無線網絡，負責與無線門鎖的數據收發工作；向上則通過TCP/IP網絡與上位機保持通訊，接收來自門鎖管理系統的命令并準確發送至對應無線門鎖，上傳無線門鎖的狀態、進出記錄等信息，保證門鎖管理軟件能夠準確實時監測所有無線門鎖的狀態，便于維護人員對整個大樓房間的日常維護，其工作流程如圖3所示.

圖3 基站軟件工作流程圖Fig.3 The workflow of wireless station software

2.2 無線聯網門鎖設計

無線聯網門鎖具備普通機械門鎖的所有功能，還需兼備與無線基站之間的數據通信功能.因此無線門鎖的硬件有微控制器、電源模塊、RTC實時時鐘模塊、RFID讀卡模塊、存儲模塊、電機驅動模塊和指示模塊組成，硬件結構如圖4所示.

圖4 無線聯網門鎖硬件結構圖Fig.4 The diagram of wireless lock hardware structure

無線門鎖采用4節干電池供電，電源模塊采用低壓差穩壓HT7333芯片，提供整個系統的供電.

RFID讀卡模塊使用非接觸式13.56 MHz的MFRC522高集成度芯片，是NXP公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本和低功耗的非接觸式讀卡芯片[9].基于MFRC522的讀卡器，工作頻率為13.56 MHz，讀取ISO1443A標準的射頻卡片[10].

電機驅動模塊的全橋電路由三極管構成，通過程序控制端口輸出電平來驅動電機，帶動鎖芯轉軸正反轉從而完成開關門任務.為實現系統低功耗要求，上橋采用PNP三極管，下橋采用NPN三極管；由于微控制器輸出最高為3.3 V，無法使得PNP三極管完全截止，因此再增加一組NPN三極管.通過先控制NPN三極管來實現對上橋PNP三極管的通斷控制.如圖5所示，一共有4個端口共同控制全橋電路的上下橋通斷狀態.Left0，Left1為左半橋電路控制端，Right0，Right1為右半橋電路控制端：當Q3，Q8導通，Q4，Q7截止時，電機正轉開門；當Q4，Q7導通，Q3，Q8截止時，電機反轉關門，從而完成開關門的邏輯控制.

圖5 全橋電路圖Fig.5 The diagram of full bridge circuit

CC2530微控制器包含2.4 G射頻模塊，同時采用5 cm的2.4 GHz短天線，封閉在鎖具之內，保證正常的發射功率又能使整個門鎖結構緊湊.

RTC實時時鐘模塊采用PCF8563實時時鐘/日歷芯片，采用紐扣電池獨立供電，芯片供電電路圖如圖6所示，可作為一個實時時鐘進行計時；同時產生INT定時中斷輸出，用于喚醒CPU，實現低功耗.采用I2C通信協議，微控制器可通過SCL時鐘線和SDA數據線與時鐘芯片進行通信.

圖6 時鐘芯片供電電路圖Fig.6 The diagram of clock chip power circuit

存儲模塊選用的AT24C256N的EEPROM，用于保存該門鎖的重要數據，如卡片信息、進出記錄等.指示模塊包含蜂鳴器和LED燈兩部分，面對不同情況時發出相應的提示信息.整體無線門鎖硬件核心板實物如圖7所示.

圖7 核心板實物圖Fig.7 The physical map of core board

在CC2530在電源管理中，可有五種不同的運行模式，分別為主動模式、空閑模式、PM1(Power mode1)、PM2和PM3.系統根據不同的任務切換不同CPU運行模式，以期達到最佳的性能和最低的功耗.

主動模式是一般模式，而PM3具有最低的功耗.根據不同的任務切換不同CPU運行模式，并關閉相應外設模塊，以期達到最佳的性能.優化程序算法以縮短CPU喚醒時的工作時間，最大限度降低功耗.如無線通信時，設置寄存器PCON=0x00，喚醒CPU工作，完成對無線基站的數據交互任務，并執行指定動作；當完成任務后，設置寄存器PCON=0x01，再次進入休眠狀態等待下次喚醒.設置合理的讀卡間隔，在保證能夠正常讀卡的同時，降低讀卡模塊的功耗，延長電池的使用壽命.軟件工作流程圖如圖8所示.

圖8 無線聯網門鎖工作流程圖Fig.8 The workflow of wireless lock software

3 低功耗設計

3.1 單片機端口設置

低功耗設計要求系統在待機時，盡可能減少消耗的電流，單片機的端口必須設置在合理的模式.在無線門鎖中，需要進行開關量(各個彈簧舌狀態)的監測、電池電壓測量和控制驅動三極管狀態等.普通引腳在待機時，應該設置為高阻態模式，消除拉電流的影響.電池電壓測量方案與一般分壓測量有所不同，普通電阻分壓法必然導致電流的損失，因此將分壓電阻不直接接地，而是接到LED燈上.僅當LED燈點亮時，通過ADC采集電壓值并換算成實際的電池電壓值.各個驅動三極管在待機時也必須保持截止狀態，如蜂鳴器輸出引腳保持驅動三極管截止，降低系統功耗.

3.2 讀卡模式

在系統調試中發現，相比于其他市面上的刷卡門鎖，讀卡模塊部分功耗偏高，導致系統整體性能下降.因此，改進了識別IC卡的模式，每次讀卡先只讀取第0扇區前1，2個字節，判別是否為空字節.若是空字節，表明無卡靠近，系統立即進入休眠狀態，等待下次定時喚醒；若不是空字節，表明有卡，再進行一次性讀取卡中信息，讀卡函數流程圖如圖9所示.

圖9 讀卡函數流程圖Fig.9 The workflow of reading card

因此，待機時大大減少一次性從第0扇區中讀取的字節數，有效降低了讀卡的功耗.通過再次系統測試，單位時間內耗電量明顯下降，有效延長了電池使用壽命.經過測試，其休眠時靜態平均電流約為12 μA，改進前后的靜態平均電流對比如圖10所示.與市面上存在的大部分無線門鎖相比，降低了系統功耗，具有實用推廣價值.

圖10 靜態平均電流對比圖Fig.10 The diagram of static average current contrast

3.3 通信測試

模擬現場應用場景，完成實驗室系統測試環境搭建：上位機通過5個無線基站，監控管理20道無線門鎖.上位機通過開關門、遠程授權和電池監控等所有基本操作，進行多把無線門鎖的并發、沖突和穩定性測試.試驗結果發現：多把無線門鎖均可正確執行命令和實現監控管理，當通信產生沖突時將由數據重發機制保障通訊穩定性，系統魯棒性較強.當上位機多條命令同時下達時，會存在通信時延，將進一步完善程序，達到更快速、穩定和安全的門鎖監控管理.

4 結 論

介紹了一種基于ZigBee技術的聯網型無線門鎖系統設計，探討Zigbee無線組網和低功耗軟硬件協同設計兩個關鍵技術，完成了相應硬件電路與軟件的開發及系統測試環境搭建.測試結果表明：系統所有功能正確，低功耗設計滿足要求，門鎖安全性較高，具有便捷靈活豐富多樣的管理操作，便于門禁管理人員日常維護工作，具有很高的應用推廣價值.

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(責任編輯：陳石平)

A design of networked wireless lock system based on ZigBee

YING Shiyan, ZHOU Zeyu, MEI Yimin
(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Based on ZigBee wireless communication and Internet technology, a low power consumption of networked wireless access control system is developed. Wireless lock has the function of opening door with RFID card, data exchange, abnormal alarm and so on, the software of lock system management realizes the time synchronization, authorization management, parameter setting and battery monitoring for the networked lock. The mobile terminal management application can be used to realize remote monitoring. The most important feature of the system is to achieve the real-time networking and low power consumption of lock, which satisfies the needs of a safe and efficient networked wireless lock system. The test results show that the system is stable and reliable, and it has a high value to promote the application.

ZigBee; wireless lock; low power consumption

2016-09-12

浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2016C31058)

應時彥(1964—)，男，浙江嵊州人，教授，研究方向為信息技術應用，E-mail：ysy@zjut.edu.cn.

TP391

A

1006-4303(2017)02-0153-06