基于ZigBee 的智能門(mén)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀云飛，甘 雨，，肖國(guó)銳

（1.湖南北斗微芯產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家居的智能化已成為必然的趨勢(shì)。智能門(mén)鎖作為家居安全的重要“守門(mén)員”，其重要性不言而喻[1]。門(mén)鎖的智能化技術(shù)核心在于門(mén)鎖權(quán)限的控制和門(mén)鎖狀態(tài)的反饋，能夠讓用戶實(shí)時(shí)掌控家里的門(mén)鎖狀態(tài)。

采用無(wú)線通信技術(shù)控制終端門(mén)鎖，其優(yōu)勢(shì)在于安裝方便，不需要布線。ZigBee 技術(shù)具有低功耗、低延時(shí)、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高等特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)能力，相較于藍(lán)牙、WiFi、LoRa 等無(wú)線技術(shù)[2-5]，具有明顯優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能門(mén)鎖系統(tǒng)，功耗低、實(shí)時(shí)性高，對(duì)于酒店、宿舍等需要對(duì)門(mén)鎖集中監(jiān)控管理的場(chǎng)合提供了極大的便利[6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能門(mén)鎖系統(tǒng)由終端門(mén)鎖、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)及用戶終端組成，主要功能是檢測(cè)門(mén)鎖的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)控制及管理。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端門(mén)鎖作為終端節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)作為協(xié)調(diào)器[7-8]，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

終端門(mén)鎖通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)連接到協(xié)調(diào)器，將檢測(cè)到的門(mén)鎖狀態(tài)信息上傳平臺(tái)，同時(shí)終端門(mén)鎖根據(jù)協(xié)調(diào)器下發(fā)的控制指令執(zhí)行門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)操作；無(wú)線網(wǎng)關(guān)作為終端門(mén)鎖和平臺(tái)的橋梁，通過(guò)以太網(wǎng)和平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)終端門(mén)鎖和平臺(tái)的雙向通信，同時(shí)無(wú)線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)終端門(mén)鎖的安全性管理[9]。

用戶終端將終端門(mén)鎖的地址和門(mén)鎖的白名單下發(fā)給無(wú)線網(wǎng)關(guān)，終端門(mén)鎖注冊(cè)入網(wǎng)過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)比對(duì)門(mén)鎖的地址來(lái)控制門(mén)鎖接入的權(quán)限，用戶終端下發(fā)控制指令到無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)根據(jù)白名單進(jìn)行匹配，在白名單目錄內(nèi)的才允許將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給終端門(mén)鎖；無(wú)線網(wǎng)關(guān)對(duì)終端門(mén)鎖的在線狀態(tài)進(jìn)行管理，監(jiān)測(cè)到終端門(mén)鎖離線則反饋給平臺(tái)。

平臺(tái)記錄所有終端門(mén)鎖、無(wú)線網(wǎng)關(guān)的工作狀態(tài)，記錄終端門(mén)鎖的開(kāi)鎖記錄等，做到用戶終端實(shí)時(shí)掌控門(mén)鎖的信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器選用CC2530 片上系統(tǒng)作為ZigBee 模塊[10]，CC2530 片上集成了RF 收發(fā)器和增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，在發(fā)射模式下，電流損耗低于30 mA，休眠模式下低于0.4 μA，且主動(dòng)模式和休眠模式的切換時(shí)間非常短，非常適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。

2.1 終端門(mén)鎖硬件設(shè)計(jì)

終端門(mén)鎖由CC2530、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵、AD 轉(zhuǎn)換電路等組成，如圖2 所示。

圖2 終端門(mén)鎖硬件框圖

終端門(mén)鎖采用干電池供電，對(duì)整體功耗的要求高，門(mén)鎖以CC2530 的片內(nèi)8051 內(nèi)核作為系統(tǒng)的微控制器[10-11]，微控制器通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換電路獲取干電池的電壓值，作為電池電量判斷的依據(jù)；按鍵用作系統(tǒng)復(fù)位操作，通過(guò)按鍵操作實(shí)現(xiàn)微控制器自動(dòng)復(fù)位；JTAG 接口用作程序仿真，仿真器使用CC Debugger仿真器；串口用作參數(shù)配置調(diào)試；門(mén)鎖鎖體和微控制器之間通過(guò)五線進(jìn)行連接，其中，三線分別是鎖舌信號(hào)線、反鎖信號(hào)線和開(kāi)鎖信號(hào)線[12]。鎖舌信號(hào)體現(xiàn)鎖體是否上鎖；反鎖信號(hào)體現(xiàn)鎖體是否反鎖；開(kāi)鎖信號(hào)體現(xiàn)鎖體是否通過(guò)鑰匙或指紋進(jìn)行了開(kāi)鎖操作，微控制器通過(guò)讀取信號(hào)線的高低電平來(lái)判斷門(mén)鎖的狀態(tài)。另外兩線是微控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊和門(mén)鎖鎖體的電機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，拖動(dòng)鎖舌實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖操作。主控電路原理圖如圖3 所示。

圖3 終端門(mén)鎖主控電路原理圖

門(mén)鎖采用L7010R 馬達(dá)控制驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，L7010R 是控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，CC2530 通過(guò)MA+和MA-兩個(gè)輸出端口控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖操作。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽號(hào)SUOSHE、MECKEY和FANSUO 分別代表鎖舌信號(hào)線、開(kāi)鎖信號(hào)線以及反鎖信號(hào)線，這三根線和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)線通過(guò)接線端子和鎖體相連接，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽號(hào)DIANLIANG 連接干電池，通過(guò)ADC 采集電量信息，KEY 和RESET 分別連接按鍵電路和復(fù)位電路。

2.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)由CC2530、STM32F103RCT6、蜂鳴器、電源模塊、以太網(wǎng)等組成，如圖4 所示。

圖4 無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件框圖

CC2530 作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)部分的微控制器，完成協(xié)調(diào)器功能，實(shí)現(xiàn)和門(mén)鎖的無(wú)線通信；CC2530 通過(guò)串口和主控芯片STM32F103RCT6 相連接。蜂鳴器作為提示音，提示終端門(mén)鎖是否成功接入無(wú)線網(wǎng)關(guān)，方便用戶對(duì)終端門(mén)鎖的對(duì)接調(diào)試。無(wú)線網(wǎng)關(guān)和平臺(tái)之間通過(guò)以太網(wǎng)相連接，考慮到無(wú)線網(wǎng)關(guān)供電的便利性，電源部分支持外部電源輸入供電，也支持POE供電方式；串口2 用作無(wú)線網(wǎng)關(guān)的參數(shù)配置以及調(diào)試，圖5 是主控制器STM32F103RCT6 原理圖。

圖5 主控制器STM32F103RCT6原理圖

以太網(wǎng)[13]采用W5500 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，W5500 芯片是一款集成全硬件TCP/IP 協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，主控制器通過(guò)SPI 接口控制W5500 芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)W5500 的工作模式定義了引腳和主控芯片相連接，主控芯片通過(guò)設(shè)置工作模式引腳的高低電平實(shí)現(xiàn)W5500 的工作模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

CC2530 的軟件開(kāi)發(fā)提供了一套完整的Z-Stack協(xié)議棧[14]，Z-Stack 協(xié)議棧是一個(gè)基于時(shí)間片任務(wù)輪詢方式的操作系統(tǒng)，Z-Stack 的主要執(zhí)行流程包括關(guān)閉所有中斷、芯片外設(shè)初始化、芯片內(nèi)部初始化、操作系統(tǒng)初始化、打開(kāi)所有中斷和執(zhí)行操作系統(tǒng)。在任務(wù)輪詢過(guò)程中，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)檢測(cè)任務(wù)是否就緒，查詢每個(gè)任務(wù)是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，則執(zhí)行相應(yīng)的事件處理函數(shù)，如果沒(méi)有事件發(fā)生，則查詢下一個(gè)任務(wù)[15]。

3.1 終端門(mén)鎖軟件設(shè)計(jì)

終端門(mén)鎖作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，采用低功耗工作模式，執(zhí)行休眠、喚醒、休眠循環(huán)的工作方式。終端門(mén)鎖的主體軟件流程如圖6 所示。

圖6 終端門(mén)鎖的程序的流程

終端門(mén)鎖主要完成以下功能點(diǎn)：1）檢測(cè)門(mén)鎖狀態(tài)；2）檢測(cè)電池電壓上報(bào)平臺(tái)；3）執(zhí)行協(xié)調(diào)器下發(fā)的控制開(kāi)關(guān)鎖指令。

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)硬件和協(xié)議棧進(jìn)行初始化，為了門(mén)鎖的安全性，硬件初始化過(guò)程中，微控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)默認(rèn)處于門(mén)鎖關(guān)閉狀態(tài)。終端門(mén)鎖檢查ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，嘗試連接協(xié)調(diào)器，如果連接失敗，則設(shè)置休眠時(shí)間，進(jìn)入休眠狀態(tài)，自動(dòng)喚醒后重新嘗試連接協(xié)調(diào)器，直到連接成功。如果終端門(mén)鎖在多次嘗試連接失敗的情況下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)休眠時(shí)長(zhǎng)做到降低電量的消耗。

在終端門(mén)鎖成功連接協(xié)調(diào)器后，執(zhí)行低功耗工作機(jī)制，周期性地從休眠當(dāng)中喚醒后偵測(cè)有無(wú)事件要處理，若有事件要處理，處理完之后進(jìn)入休眠，否則立即休眠，為了保證實(shí)時(shí)響應(yīng)協(xié)調(diào)器下發(fā)的控制指令，系統(tǒng)每隔300 ms 喚醒一次，進(jìn)行事件偵測(cè)。

系統(tǒng)每次喚醒后，都會(huì)檢測(cè)門(mén)鎖的狀態(tài)信息，若門(mén)鎖的狀態(tài)發(fā)生變化，則立即將門(mén)鎖的狀態(tài)信息進(jìn)行上報(bào)。電池電壓的檢測(cè)不需要頻繁進(jìn)行，每隔1 h喚醒檢測(cè)一次。

若系統(tǒng)在喚醒后偵測(cè)到協(xié)調(diào)器下發(fā)的控制指令，接收控制指令后，如果是開(kāi)鎖指令，則立即執(zhí)行開(kāi)鎖，同時(shí)，為了防止門(mén)鎖長(zhǎng)期打開(kāi)的安全性問(wèn)題，系統(tǒng)在延時(shí)10 m 后自動(dòng)執(zhí)行關(guān)鎖指令。

微控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的引腳MA+為高電平，MA-為低電平則電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鎖；MA+為低電平，MA-為高電平則電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)鎖，MA+和MA-同時(shí)為高電平，則電機(jī)停止工作。微控制器在執(zhí)行開(kāi)關(guān)鎖操作后，延時(shí)100 ms，然后再驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作。

3.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)的程序包括ZigBee 協(xié)調(diào)器程序和主控程序。協(xié)調(diào)器程序由CC2530 完成，主要功能包括：1）建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)；2）實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；3）實(shí)現(xiàn)主控程序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器程序執(zhí)行流程如圖7 所示。

圖7 協(xié)調(diào)器程序的流程

CC2530 執(zhí)行過(guò)程中不需要考慮低功耗機(jī)制，系統(tǒng)啟動(dòng)后，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)操作，對(duì)于已入網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，CC2530 循環(huán)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)，在接收到終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下直接通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控程序，同時(shí)CC2530 接收到串口數(shù)據(jù)后，自動(dòng)采用無(wú)線方式發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。

主控程序由STM32F103RCT6 完成，主要完成以下功能：1）平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信；2）協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信；3）平臺(tái)、協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的處理；4）終端節(jié)點(diǎn)的管理。執(zhí)行流程如圖8 所示。

圖8 無(wú)線網(wǎng)關(guān)主控程序的流程

主控程序硬件初始化后，對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行復(fù)位操作，啟動(dòng)協(xié)調(diào)器運(yùn)行，主控程序根據(jù)配置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，采用MQTT 通信協(xié)議[16-17]和平臺(tái)相連接，MQTT 協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除了應(yīng)用程序的耦合。

主控程序通過(guò)串口接收協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，主控程序接收到終端節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)成功信息后，則將該終端節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為上線，同時(shí)通過(guò)蜂鳴器鳴叫一聲進(jìn)行提示，后續(xù)通過(guò)接收終端節(jié)點(diǎn)的心跳數(shù)據(jù)來(lái)判斷終端節(jié)點(diǎn)是否在線，主控程序通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)到平臺(tái)。對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)的電池電壓、門(mén)鎖狀態(tài)等參數(shù)信息，主控程序接收到信息以后不做任何處理，直接通過(guò)MQTT 進(jìn)行發(fā)布。

主控程序通過(guò)MQTT 協(xié)議訂閱相應(yīng)的主題，接收平臺(tái)下發(fā)的控制指令，對(duì)于接收到的控制指令，主控程序根據(jù)存儲(chǔ)的白名單進(jìn)行對(duì)比過(guò)濾，將合法的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

智能門(mén)鎖系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9 所示，測(cè)試過(guò)程如下：首先給終端門(mén)鎖和無(wú)線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通電啟動(dòng)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)的蜂鳴器鳴叫一聲，說(shuō)明終端門(mén)鎖成功連接到無(wú)線網(wǎng)關(guān)，一段時(shí)間后斷電重啟無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)的蜂鳴器自動(dòng)鳴叫一聲，說(shuō)明終端門(mén)鎖在斷開(kāi)連接的情況下能夠自動(dòng)重連，反復(fù)試驗(yàn)，成功率達(dá)100%。

圖9 智能門(mén)鎖系統(tǒng)實(shí)物圖

利用MQTT 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，按照無(wú)線網(wǎng)關(guān)訂閱的主題向無(wú)線網(wǎng)關(guān)下發(fā)開(kāi)鎖指令，終端門(mén)鎖鳴叫一聲，說(shuō)明開(kāi)鎖成功，終端門(mén)鎖在10 s 后自動(dòng)關(guān)鎖，重復(fù)試驗(yàn)100 次，測(cè)試成功率達(dá)95%以上。

在終端門(mén)鎖串聯(lián)電流表來(lái)測(cè)試功耗，終端門(mén)鎖在低功耗休眠下電流為20 μA，終端門(mén)鎖在喚醒發(fā)送接收數(shù)據(jù)瞬間電流達(dá)30 mA。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于ZigBee 的智能門(mén)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了終端門(mén)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連的功能，用戶可以遠(yuǎn)程下發(fā)控制指令控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)操作，終端門(mén)鎖實(shí)時(shí)上傳門(mén)鎖的狀態(tài)信息。通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試，終端門(mén)鎖靜態(tài)電流小于20 μA，功耗極低，符合干電池供電的要求，同時(shí)開(kāi)鎖成功率達(dá)95%以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，下發(fā)控制指令能夠?qū)崟r(shí)反饋，具有較好的實(shí)用價(jià)值。