Zigbee技術在智能門鎖系統設計中的應用

蔡華輝

（品譜（廈門）工業有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在當前電子技術和智能化技術不斷發展的趨勢下，智能門鎖逐漸成為人們家裝的主要選擇。其門禁系統中應用了RF智能卡技術，具有加密強度大、不易被復制、防偽性較好、可靠性較高的特點，在現階段正逐漸取代傳統的機械鑰匙門鎖。同時在物聯網技術發展的形勢下，應用Zigbee無線技術可以實現對智能門鎖的集中監控和管理，在宿舍、公寓酒店中具有良好的應用效果。

1 Zigbee技術

Zigbee技術是當前一種新型的無線網絡通信技術，具有短距離、功耗低、安全可靠和底數據速率的特點，并且能夠實現自組網，具有較強的自恢復能力。在智能門鎖產品的設計中，應用Zigbee技術相比于其他產品，其RF性能更好，可以有效地驅動液晶顯示電路和AD模擬鍵盤、射頻識別（RFID）讀取控制電路，保證門鎖設計的智能化，盡可能地降低成本。利用Zigbee技術進行無線通信，具有較好的優勢。相較于藍牙技術來說，Zigbee技術的傳輸距離相對較遠、功耗較低、電池維持時間長。而較于Wi-Fi技術來說，其耗電量較低，優勢相對明顯。

2 系統概述

2.1 系統組成

智能門鎖系統主要由3個部分構成，如圖1所示，分別是終端門鎖、無線網關以及服務平臺軟件等。其中終端門鎖是利用Zigbee無線通信技術將各種門鎖信息發給無線網關或基于無線網關，將開鎖白名單下發到終端門鎖中，可以實現遠程開鎖。而無線網關則是基于Zigbee技術，做為終端門鎖和服務平臺之間的橋梁，是系統中必不可少的部分，也是實現遠程監控和控制的關鍵。服務平臺軟件則是管理人員新增、刪除、修改開鎖白名單的程序系統，是強化智能門鎖安全性和可靠性的重要保障[1]。

2.2 主要功能

智能門鎖系統有5種主要功能。1）終端門鎖按照其存儲的開鎖白名單，只允許在白名單行列的智能卡或密碼開鎖，對于非授權的智能卡和密碼則無法開鎖。2）終端門鎖可以向服務平臺上報智能卡的刷卡記錄、關門和密碼開門記錄等信息。3）智能門鎖系統管理員通過服務平臺軟件可以向終端門鎖下發開鎖白名單，保障開鎖的便利性和安全性。4）同時系統管理員也能夠在服務平臺軟件上利用管理員權限實現遠程開鎖。5）服務平臺軟件能夠隨時查看各個智能門鎖的刷卡信息、開門關門信息以及非授權卡的刷卡記錄等，具有較高的安全性。

2.3 工作方式

圖1 智能門鎖系統的構成

智能門鎖系統中的終端門鎖在工作中，主要是依靠地址和信道2組撥碼開關，在合理地安裝終端門鎖后，則可以通過撥碼開關來設置相應的門鎖地址和其所使用的通信信道。而當終端門鎖通電上鎖后，則會向服務平臺軟件發出校時請求，校正時間后會進入休眠模式。另外一方面，智能門鎖對RF讀卡模塊設置為定時1 s喚醒，從而可以進行低功耗尋卡，有利于識別用戶的刷卡開鎖行為。如果檢測到所刷的智能卡在白名單中，就會控制開鎖機構實現開鎖，并將該條記錄保存在終端門鎖的存儲器中。

而無線網關的工作方式則是負責將終端門鎖和服務平臺進行有效連接，其能夠將無線數據報文轉化為以太網數據報文，以便于門鎖開鎖信息查詢。在實際工作中，為了保障信號的覆蓋范圍較廣，在系統設計過程中通常會利用多個無線網關，并采用重疊覆蓋的方式同時部署，當終端門鎖上報開鎖數據時，在其信號覆蓋范圍之內的無線網關可以同步接收到該門鎖的數據報文，然后在經過協議轉換，則能夠有效地將門鎖數據報文發送到服務平臺中。其平臺在接收到終端門鎖的無線信號強度和數據報文后，會從多個無線網關中選擇信號強度最好的一個對終端門鎖進行回復反饋。

3 系統設計

3.1 終端門鎖設計

終端門鎖的設計是整個系統設計的重中之重，也是實現門鎖智能化的關鍵基礎。該設計過程中，對終端門鎖主要包括硬件和軟件設計2個方面，其中對于硬件的設計則是針對微控制器、門鎖執行機構、數字按鍵或指紋模塊、RF讀卡模塊和Zigbee無線模塊等，在設計過程中要將終端門鎖與服務平臺軟件的交互協議放置在Zigbee協議幀的數據中，并且終端門鎖與無線網關之間要采用Zigbee技術標準協議幀進行傳輸，以保障數據報文的傳輸有效性。而對于微控制器的設計一般應確保其內置有實時時鐘，有利于滿足終端門鎖利用實時時鐘來發揮分時復用的功能。而且由于終端門鎖基本是采用干電池供電，對它的休眠設置要求比較高，休眠電流較小，能夠降低門鎖的功耗，延長干電池的使用壽命。讀卡器模塊芯片的選擇應考慮功耗相對較低的芯片，并在模塊的內部集成低功耗自動尋卡和定時喚醒的功能，通常在尋卡的過程中不需要進行微控制單元（MCU）操作，成功尋卡后則可喚醒MCU。對于終端門鎖的軟件設計，需要保障門鎖與服務平臺之間的交互協議包括實時時鐘校時、刷卡信息上報、喚醒報文上報以及開鎖白名單下發和遠程開鎖等命令幀。充分保障終端門鎖能夠與服務平臺之間形成良性交互[1]。

3.2 無線網關設計

無線網關的硬件設計則是針對帶有網絡接口的MCU、多路Zigbee無線模塊和工作指示燈等，其中對于微控制器的設計則要滿足同一個網關同時支持4通道Zigbee通信的需求。無線網關的軟件設計主要內容是保障終端門鎖與服務平臺之間的Zigbee報文能夠與以太網報文進行高效的轉換。在實際工作中無線網關將轉換后的數據報文交互協議利用以太網，發送到服務平臺，然后其根據多個網關上報的信息幀，對信號強度進行剔除和選擇，再選擇通信質量相對較好的無線網關恢復終端門鎖的報文，因此設計人員要盡量確保無線網關的報文轉換工作符合系統的實際需求，有效連接門鎖與服務平臺，實現智能化門鎖控制。其設計框圖如圖2所示。

3.3 服務平臺設計

智能門鎖服務平臺的設計，一般包括模型層、視圖層和控制層。模型層的作用是對應用程序中的數據進行處理，例如存取數據等。視圖層是在模型層數據基礎上創建的顯示層。而控制層是平臺的核心部分，主要負責用戶的交互處理，通過控制器讀取數據、控制用戶輸入，再向模型層發送數據，實現智能門鎖的控制流程。在進行智能門鎖系統的服務平臺設計時，首先是在前端頁面中設置用戶登錄、刷卡查詢、授權、設置密碼以及遠程開鎖等功能界面，并將用戶產生的刷卡、開關門等流水信息儲存在相應的數據庫中。當平臺系統管理登錄后可以根據時間和名稱查詢相應門鎖的刷卡記錄。同時服務平臺要與智能卡的讀卡器相連接，以便于將讀卡信息發送到指定的終端門鎖，使其成為開鎖白名單。

3.4 門鎖控制電路設計

圖2 無線網關設計示意圖

門鎖控制電路的設計主要采用靈性鎖，即是利用步進電機對鎖芯進行有效的伸縮控制，因為步進電機的工作電壓采用直流12 V，而Zigbee處理器的驅動電壓為直流3.3 V，因此應當對門鎖控制電路設計為復合管電路，以保障對門鎖進行有效的驅動控制。首先將門鎖驅動端口接入Zigbee處理其的端口，以便于確定門鎖電路，通過發送低電壓信號，則能夠使2V驅動控制電機開始工作。而低電壓信號控制高電壓信號可以采用繼電器的方式形成驅動，并且為了降低門鎖功耗、提高安全性能、減小門鎖設計體積，應當設計復合管電路，保障門鎖驅動控制具有實效性。

3.5 程序及流程設計

對智能門鎖系統的主流程進行設計時，應當將Zigbee無線傳輸網絡中的一個終端節點作為智能門鎖的控制端，并配合終端設備實現協調。在該基礎上，首先要對各個組成部分進行初始化操作，具體是將液晶和RFID讀卡器進行初始化和模式設置，然后調用液晶顯示子函數，從而顯示歡迎頁面。同時液晶會按照系統的不同運行狀態而顯示相對應的頁面。然后在調用RFID讀卡程序和按鍵檢測程序時，能夠同步檢測出RFID的卡號以及密碼鍵輸入，一旦系統有效讀取到RFID的相關信息，則會發送身份審核數據包，等待尚未終端反饋審核的結果，執行相應的門鎖驅動程序和操作。

對于RFID的讀卡流程設計，一般是要保障RFID射頻卡放到讀卡器上時，能夠順利進入讀卡程序中。所以在具體設計過程中，相關人員首先應當設計RFID卡尋找流程，以便于能夠準確讀取RFID序列號，從而保障讀卡過程的穩定性。所以在設計實踐中，可以設計2次尋卡過程，當卡號讀取一致時，則會進行保存。并且為了防止多張RFID卡在讀卡器上發生數據碰撞，應在讀卡結束后進行有效的防沖撞檢測。如果檢測通過，就會確認為有效卡號，并且將卡號打包成為數據包，再加密發送到上位控制器中進行身份驗證和審核，根據返回的信息來判斷是否執行開鎖操作。

最后一方面是對鍵值讀取流程進行設計，其主要是由處理器對按鍵的AD端口數據進行不斷檢測，有效判斷是數據轉換中是否存在有效的鍵值數據。如果存在則會保存數據，在連續保存16個相同的有效鍵位后，就會確認按下了一個有效按鍵，當密碼輸入完成后，將其打包為數據包，再加密發送到上位控制器中，根據返回的審核信息判斷是否執行開鎖操作。

4 系統性能

4.1 系統容量

在智能門鎖系統中，一幀Zigbee報文的傳輸時間通常在10 ms內即可完成，而終端門鎖和服務平臺之間的交互需要2幀Zigbee報文。在考慮到數據出現丟包重傳的情況下，系統分配到門鎖的時間片大約為100 ms。另外終端門鎖的喚醒上報周期為5 s左右，所以單個信道的Zigbee網絡可以管理50個終端門鎖，從而在采用4通道的Zigbee設計方案，則能夠實現對200個終端門鎖進行控制。并且由于Zigbee共有16 個可用網絡信道，在不重復使用的情況下，對終端門鎖的管理數量可以達到800個。

4.2 系統能耗

由于智能門鎖系統的終端門鎖休眠電流僅為6 μA，其工作電流大概是22 mA，根據其每5 s喚醒一次，其工作時間則在100 ms左右，如電池容量設置為2450進行計算，其系統使用時長為2450/[6×0.001×（5/3600）+22×（0.1/3600）]=20171300 s，轉化為天數則是20171300/（3600×24）=233天。

4.3 系統安全

在應用Zigbee技術進行智能門鎖系統設計時，安全性能是極為重要的，因此為了保障智能門鎖的安全得到保障，主要是應用了基于密碼本的數據加密技術，從而將無線傳輸數據包進行數據加密。實際上該種加密方式是在普通加密基礎上的升級和優化，目的是提高安全防護的可靠性，原理是將Zigbee傳輸的串口標準信息交換碼數據加密。而密碼本數據加密技術是在同域及異域基礎上實現的一種加密方式，所加密的數據可以通過密碼本查詢獲得。而且密碼本的數據一般是通過外部軟件隨機得到并寫入只讀存儲器（ROM）中，從而保障加密數據具有更高等級的安全性，在設計應用中，密碼本的數據具有較強的隨機性，同時可以實現多次加密計算。在設計過程中，能夠通過更改密碼本中的數據位置確保密碼安全性，通常情況下，在智能門鎖系統中包括256個數據，從0×00～0×ff，借助計算機軟件Excel可以對256個數據進行隨機的排列，形成密碼本，即會產生256256個排列順序。并且設計人員為提高安全性能可以增加加密位，執行同域或異域2次運算，并基于加密位的增加開展運算工作，能夠在其基礎上進行加減位移等計算，進一步提高加密數據的安全性。

5 結語

綜上所述，隨著社會的不斷發展，智能門鎖在千家萬戶中得到了比較廣泛的應用，其為人們提供了便捷的服務和功能。而為保障其實際作用的發揮，需要對其進行科學合理的設計。在實踐過程中，對智能門鎖系統的設計主要包括終端門鎖設計、無線網關設計、服務平臺設計、門鎖控制電路設計以及流程設計等方面，應用ZigBee無線技術進行聯網，則可以實現智能開鎖。同時該系統的容量計算和使用時間計算以及安全性能等可以為具體實用場合制定合理設計方案提供參考，更便于實現門鎖的集中監控和管理，推動智能門鎖系統的進一步發展。