樊 歡, 郭家虎, 張 賽

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

一種新型的酒店門禁系統(tǒng)

樊 歡, 郭家虎, 張 賽

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和ARM嵌入式技術(shù)解決了門鎖終端節(jié)點與酒店管理服務(wù)器的通信問題。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧Z-Stack的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的酒店門禁系統(tǒng),選用CC2530協(xié)調(diào)器和高性能讀卡芯片MFRC522,使系統(tǒng)具有IC卡無線識別和服務(wù)管理的功能。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立,可以減少大量布線帶來的成本。測試結(jié)果表明,方案適用于酒店門禁系統(tǒng)的管理,可以提高酒店員工的工作效率和服務(wù)水平。

物聯(lián)網(wǎng); 酒店; 門禁系統(tǒng); ZigBee技術(shù)

0 引 言

隨著酒店服務(wù)行業(yè)的不斷發(fā)展,門禁系統(tǒng)的需求也發(fā)生了重大的變化。門鎖管理趨于智能化,不僅提高了門禁系統(tǒng)的安全,也方便獲取人員進(jìn)出的信息[1]。傳統(tǒng)的酒店門禁系統(tǒng)采用大量的布線,每個房間與主控制器之間都需要采用線纜相接,設(shè)備安裝與維修困難[2]。門禁系統(tǒng)采用接觸式IC卡[3],容易磨損,數(shù)據(jù)容易丟失,安全性較低[4]。

本文設(shè)計了一種新型的酒店門禁系統(tǒng),將ZigBee無線技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)和射頻識別技術(shù)結(jié)合在一起。在該系統(tǒng)中所有房間及樓層可集中管理,控制中心可實時顯示開門記錄,提高了酒店的安全性。其自檢功能可及時將故障信息傳送至管理人員,減少了人力維護(hù)成本[5]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成,一部分是CC2530構(gòu)成的門鎖終端,另一部分是ARM嵌入式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(Access Point,AP)。兩者之間采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

AP用于接收門鎖終端的消息并與酒店管理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6],包括ARM芯片S3C2440A、CC2530協(xié)調(diào)器、節(jié)點欠電壓檢測模塊、節(jié)點電源管理模塊、液晶顯示模塊、以太網(wǎng)控制模塊。協(xié)調(diào)器用來建立ZigBee無線網(wǎng),處理網(wǎng)絡(luò)信息,傳遞終端與AP之間的信息。節(jié)點欠電壓檢測模塊用于檢測AP的電源狀態(tài)。以太網(wǎng)控制模塊通過以太網(wǎng)連接到管理服務(wù)器。

門鎖終端與AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,控制門鎖的開關(guān),提供服務(wù)接口,主要包括CC2530、紅外檢測電路、電壓檢測電路、按鍵電路、電機(jī)驅(qū)動電路、指示電路,射頻卡讀寫模塊。其中CC2530是微控制單元(Micro Controller Unit,MCU),紅外檢測電路用來監(jiān)測是否有卡,若有卡,將啟動讀卡器。讀卡器用于接收并處理卡的信息。門鎖終端采用6 V干電池供電。電壓檢測電路檢測系統(tǒng)的供電電壓,當(dāng)處于低電壓時報警。按鍵電路連接為用戶提供服務(wù)的按鍵,一旦按下按鍵,客房管理中心便會安排相應(yīng)的服務(wù)人員為其提供服務(wù)。電機(jī)驅(qū)動電路與鎖體相連,用來控制門鎖的開/關(guān)門。指示電路有聲音和燈光的指示,在刷卡或按鍵時提示用戶成功與否。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)今,酒店的規(guī)模較大,為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性及減少消息延時,協(xié)調(diào)器、路由器、終端之間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]連接。網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立,終端入網(wǎng)時向協(xié)調(diào)器提出請求,協(xié)調(diào)器會為其分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

2 硬件設(shè)計

門鎖終端與AP采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信。ZigBee協(xié)議是一種短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議,具有通信數(shù)據(jù)量不大、低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點,已成為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的最佳選擇,并且適用于電池供電的系統(tǒng)。門鎖終端的MCU采用CC2530,同時CC2530也是ZigBee通信的基礎(chǔ)。CC2530集單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、無線通信模塊于一體,支持ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4,并且具有性能高、價格低、功耗低等優(yōu)點[8]。

2.1 讀卡及天線電路

讀卡器通過天線來接收卡的信息,并將讀取到的信息傳送給CC2530。讀卡芯片采用MFRC522,可以與現(xiàn)在流行的MIFARE卡進(jìn)行通信,讀取信息。MFRC522具有體積小、功耗低等優(yōu)點[9]。MFRC522與CC2530通過四線制SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在MFRC522與MIFARE卡進(jìn)行通信時,讀寫器通過天線向MIFARE卡發(fā)一組頻率為13.56 MHz的電磁波。MIFARE卡片內(nèi)部是一個LC串聯(lián)諧振電路,其頻率也為13.56 MHz。在電磁波的激勵下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,當(dāng)達(dá)到一定電量時其內(nèi)部電容可做為電源,為卡內(nèi)其他電路提供工作電壓,將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去,完成MFRC522與MIFARE卡的通信。MFRC522及天線驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 MFRC522及天線驅(qū)動電路

圖2中,通過計算可得

式中:Rant、Lant——天線的阻抗和容抗。

2.2 電源模塊與電壓檢測電路

電源模塊與電壓檢測電路如圖3所示,芯片采用ME6209A33,終端系統(tǒng)采用4節(jié)干電池供電。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,設(shè)置UCC低于臨界電壓時系統(tǒng)報警。CC2530具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,PD0連接在CC2530有A/D轉(zhuǎn)換功能的I/O引腳上,R1和R2組成分壓電路。報警時,PD0電壓低于0.8 V。

圖3 電源模塊及電壓檢測電路

2.3 紅外檢測電路

紅外檢測電路用于檢測是否有卡,有卡時啟動讀卡器,避免持續(xù)啟動讀卡器帶來的大電量損耗。門鎖終端每0.5 s發(fā)射一次紅外線,當(dāng)有卡片靠近門鎖時,LED會接收到反射的紅外線。紅外檢測電路如圖4所示。此時LED導(dǎo)通,運算放大器的引腳2由3.3 V變?yōu)? V,PD1由0變?yōu)?,CC2530啟動讀卡器。

圖4 紅外檢測電路

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

設(shè)計了一種基于ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack 引入了操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),它是一種基于事件驅(qū)動的輪詢式操作系統(tǒng),通過taskevent指針訪問事件表不斷地查詢是否有事件發(fā)生,如果有,則查找函數(shù)表,找到事件處理函數(shù)進(jìn)行處理,處理完成后繼續(xù)查看是否有事件發(fā)生,如此循環(huán)。

在SampleApp_ProcessEvent中添加了系統(tǒng)事件、電量檢測事件、低電量事件、紅外檢測事件、清除標(biāo)志事件、電機(jī)驅(qū)動事件。系統(tǒng)事件用于處理系統(tǒng)消息,消息類型包括按鍵改變、接收到消息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變。電量檢測事件每5 s檢測一次電量,當(dāng)電量低于臨界值時,進(jìn)入低電量事件。需要開關(guān)門時進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動事件。刷卡時進(jìn)入紅外檢測事件。清除標(biāo)志事件用于清除房間的狀態(tài)標(biāo)識,主要用在服務(wù)類型的卡刷過門鎖之后。

3.2 射頻識別的軟件設(shè)計

CC2530通過對MFRC522寄存器的控制來改變MFRC522的運行狀態(tài)。當(dāng)紅外檢測到卡存在時,CC2530開始對MFRC522進(jìn)行初始化,執(zhí)行MFRC522任務(wù)程序,完成后MFRC522進(jìn)入休眠。當(dāng)在有效范圍內(nèi)接收到M1卡的信息時,CC2530向MFRC522發(fā)出尋卡命令,讀寫器以特定的協(xié)議與卡片通信,確定是否為MIFARE射頻卡,以驗證卡片類型。CC2530再發(fā)出防沖突命令,從中選擇一張卡片,并返回卡片信息。此后發(fā)出選定卡片、驗證密鑰等命令,若密鑰驗證成功則開門,并向CC2530返回信息[10]。MFRC522程序執(zhí)行流程如圖5所示。 門鎖終端中的MIFARE卡密碼由AP發(fā)送至終端CC2530的Flash ROM中,讀卡器進(jìn)行ID號和密碼驗證時從終端的Flash中讀取信息并進(jìn)行驗證。在兩次驗證中,任何一次的驗證失敗都會跳出MFRC522任務(wù)執(zhí)行程序,并返回非法開門的信息。驗證成功后,根據(jù)卡的ID讀取卡類型。為了門鎖管理的安全與便捷,在程序中設(shè)置了一個變量,顯示房間狀態(tài);終端程序可將房間設(shè)置在不同的狀態(tài)下,用其相應(yīng)的M1卡打開門鎖。

圖5 MFRC522程序執(zhí)行流程

3.3 門鎖終端對信息的處理

在ZigBee協(xié)議棧中,數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時要調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)[11],并調(diào)用協(xié)議棧與硬件相關(guān)的函數(shù),通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;接收端接收到數(shù)據(jù)時,將其封裝成消息并放入消息隊列,調(diào)用osal_msg_receive()從消息隊列接收消息,判斷事件類型,并調(diào)用相應(yīng)任務(wù)處理函數(shù)對消息進(jìn)行處理。

門鎖終端加入網(wǎng)絡(luò)時,協(xié)調(diào)器會為其分配一個16位的短地址,然后終端會將該短地址發(fā)送給AP。這樣,AP就可以向指定的門鎖終端發(fā)送信息。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)事件、低電量事件、紅外檢測事件、清除標(biāo)志事件時,門鎖終端向AP發(fā)送信息。例如,當(dāng)紅外檢測到有卡并且刷卡結(jié)束后,MFRC522將刷卡信息返回至CC2530;CC2530將信息組合通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器再將其發(fā)送給AP。消息的結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中數(shù)據(jù)長度表示從數(shù)據(jù)長度到卡類型的總字節(jié)數(shù)。命令類型是由發(fā)生事件所確定。目標(biāo)設(shè)備短地址為協(xié)調(diào)器為其分配的16位短地址。房間號在終端加入網(wǎng)絡(luò)時由客房管理中心設(shè)定?？愋?、卡號是MFRC522讀取的卡信息,非法開門也會將卡號、卡類型上傳至客房管理中心,以便對客房進(jìn)行安全監(jiān)控。

圖6 消息的結(jié)構(gòu)

4 安全管理

門鎖的安全是設(shè)計門禁系統(tǒng)首先要考慮的問題。相比有線網(wǎng)絡(luò),無線網(wǎng)絡(luò)更容易受到監(jiān)聽、攻擊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)密鑰管理一般采用CCM-AES加密[12]。添加IBE加密方法,加強(qiáng)了對數(shù)據(jù)安全性的監(jiān)控和控制,提高了ZigBee設(shè)備身份識別的能力。當(dāng)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全時,在文件f8wConfig.cfg中將預(yù)處理標(biāo)志位SECURE置為1。defaultKey[SEC_KEY_LEN]中存放網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)密碼,修改默認(rèn)密碼時要保證整個網(wǎng)絡(luò)密碼相同。經(jīng)常更新網(wǎng)絡(luò)密鑰會提高網(wǎng)絡(luò)的安全性,當(dāng)某個節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)時,ZigBee網(wǎng)絡(luò)會對網(wǎng)絡(luò)密鑰進(jìn)行更新,以便維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全。密碼更新需調(diào)用ZDSecMgrUpdateNwkKey()和ZDSecMgrSwitchNwkKey()。在ZigBee協(xié)議棧中,為了防止網(wǎng)絡(luò)在信道上的沖突,可以采用跳頻技術(shù),使協(xié)調(diào)器選擇一個不沖突的信道。

5 系統(tǒng)測試

將門鎖終端與電機(jī)和4節(jié)干電池相連,安裝在門鎖鎖體內(nèi)部,在距離門鎖100 m內(nèi)安置AP。通過AP,可設(shè)置每個門鎖的房間號,完成定期預(yù)訂、退房、按鍵、刷卡、測試門鎖狀態(tài),記錄電量報警時間。經(jīng)測試,門鎖系統(tǒng)可以按照設(shè)置的協(xié)議執(zhí)行,4節(jié)干電池可供門禁終端正常使用半年以上。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計的系統(tǒng)采用低功耗、高性能的CC2530與低功耗、小體積的讀卡芯片MFRC522相結(jié)合的方式,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功率,減小系統(tǒng)的體積,保障門鎖終端高效、持久、穩(wěn)定的運行。門鎖終端與AP之間采用ZigBee通信,降低了系統(tǒng)的通信及運營成本,使系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。該系統(tǒng)還可擴(kuò)展為房間設(shè)備管理系統(tǒng)等智能化管理系統(tǒng),使酒店的管理更趨于智能化。

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A New Hotel Entrance Guard System

FAN Huan, GUO Jiahu, ZHANG Sai

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

By using ZigBee wireless sensor network and ARM embedded technology,the communication problems between lock terminal nodes and hotel management server were solved.Based on the ZigBee standard protocal stack of Z-Stack,a new hotel entrance guard system was proposed.By use of CC2530 and the high-performance MFRC522 chip card reader,the system has the functions of the IC card wireless identification and service management.The establishment of ZigBee wireless sensor network can reduce a large number of wiring cost.The test results show this scheme is applicable to the management of the hotel entrance guard system,which can improve the work efficiency and service level of the hotel staff.

Internet of Things; hotel; entrance guard system; ZigBee technology

樊 歡(1988—),女,碩士研究生,研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)控制。

2014-11-07

TN 919.72

A

1674-8417(2015)03-0051-05

郭家虎(1988—),男,教授,研究方向為計算機(jī)控制。

張 賽(1991—),女,碩士研究生,研究方向為物聯(lián)網(wǎng)。