王金龍+應時彥+周澤育

摘 要：為滿足門禁系統(tǒng)的高安全性、低功耗、安裝便捷等要求，提出了一種基于ZigBee技術的實時聯(lián)網(wǎng)無線門禁系統(tǒng)設計方案，設計了無線聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)中的基站、無線門鎖電路，完成了相應軟件的開發(fā)及管理系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)特別針對無線門鎖低功耗的要求進行了軟硬件設計，因而大大降低了門鎖電量的損耗，有效延長了電池的使用壽命。實驗表明，本系統(tǒng)性能可靠、功耗低，具有較高的應用推廣價值。

關鍵詞：ZigBee；無線門鎖；低功耗；無線聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

門禁系統(tǒng)作為一種管理人員進出的數(shù)字化管理系統(tǒng)，目前廣泛應用在智能大廈、辦公室、賓館、工廠等領域。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)按照布線方式的不同可以分為兩種類型：有線門禁系統(tǒng)與離線門禁系統(tǒng)。有線門禁系統(tǒng)通過到每個門點進行布線來實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，穩(wěn)定性比較高，但存在線纜眾多，施工安裝麻煩，成本高等問題；離線門禁系統(tǒng)雖省去了有線門禁的布線問題，但由于其無法實時上傳數(shù)據(jù)并監(jiān)控門禁系統(tǒng)狀態(tài)，安全性較低，只適合在一些對安全性要求不高的場合[1]。因此，設計出一款基于無線通訊的實時聯(lián)網(wǎng)門禁系統(tǒng)，對減少門禁系統(tǒng)布線量，提升現(xiàn)有門禁系統(tǒng)的美觀性、安全性與智能化水平有著重要的意義。

ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4[3]標準開發(fā)的低速率、短距離、低功耗的無線傳感網(wǎng)絡技術，在環(huán)境監(jiān)測[4]、安防[5]等領域的應用非常廣泛。與藍牙、WiFi等其他無線傳感網(wǎng)絡技術相比，ZigBee在功耗方面有著獨特的優(yōu)勢，非常適合應用在電池供電的、對低功耗要求特別高的無線門禁系統(tǒng)中。具有廣泛的應用前景。本文設計了一款基于ZigBee技術的無線門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TI（德州儀器）公司的CC2530[6]為主控芯片，基站與無線門鎖通過ZigBee技術構成無線網(wǎng)絡，完成數(shù)據(jù)通信和對門鎖的控制。配合門禁管理軟件，可以實現(xiàn)查看門禁系統(tǒng)的運行狀況、管理人員進出權限、查詢?nèi)藛T的進出記錄等功能。系統(tǒng)既繼承了有線門禁系統(tǒng)的優(yōu)點，又解決了有線門禁系統(tǒng)中存在的復雜布線問題。滿足了當今市場對于無線門禁系統(tǒng)的需求。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種短距離無線通信技術，它具有體積小、成本低、功耗低和速率低等一系列優(yōu)點。在低功耗待機模式下，采用兩節(jié)5號干電池供電的節(jié)點可以工作6到24個月。ZigBee的這種低功耗特性非常適合在使用電池長時間進行供電的無線門禁系統(tǒng)中使用。

ZigBee支持多種網(wǎng)絡拓撲結構，包括星型、樹型和網(wǎng)狀三種拓撲結構[7]。在星型拓撲結構中，每一個終端設備只能跟協(xié)調器進行通信。這種網(wǎng)絡拓撲具有結構簡單、組網(wǎng)方便、數(shù)據(jù)延遲小等優(yōu)點，主要應用于結構簡單、節(jié)點少、范圍小的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中。樹型拓撲結構中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(fā)，實際應用場合不是很多。網(wǎng)狀拓撲結構是一種多跳傳輸?shù)狞c對點網(wǎng)絡結構，網(wǎng)中的路由器相互路由接力轉發(fā)，使網(wǎng)絡覆蓋面積大大增加。而且其還具有自組織、自愈合、防碰撞、一對多、多對一的發(fā)送方式，可靠性高，使得網(wǎng)狀網(wǎng)普遍應用于實際項目中。缺點是網(wǎng)絡復雜、傳輸延時較大，對路由器的數(shù)據(jù)處理能力要求較強。主要應用在節(jié)點數(shù)量大、網(wǎng)絡覆蓋面積大的場景中，如智能樓宇中環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測[8，9]。

2 門禁系統(tǒng)設計

門禁系統(tǒng)一般應用在酒店、宿舍、寫字樓等場合，門的節(jié)點數(shù)量基本固定，網(wǎng)絡覆蓋范圍中等，綜合考慮后期維護和整體成本，采用ZigBee的星型拓撲結構來進行無線組網(wǎng)。根據(jù)不同環(huán)境合理布置基站，可以滿足系統(tǒng)正常運行的要求。

無線門禁系統(tǒng)采用TCP/IP網(wǎng)絡與ZigBee無線網(wǎng)絡相結合的方式設計。系統(tǒng)結構如圖1所示。本系統(tǒng)由基站、無線門鎖和門禁管理軟件三部分組成。基站和門禁管理軟件所在電腦都通過以太網(wǎng)接入到同一個局域網(wǎng)內(nèi)，門禁管理軟件采用B/S架構，軟件通過TCP/IP方式與基站進行數(shù)據(jù)通訊，基站與無線門鎖通過ZigBee網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)結構

基站作為全功能設備FFD（Full Function Device），是重要的數(shù)據(jù)中轉站，實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)調器，具有通信協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)交互、無線組網(wǎng)、無線通信等功能。通過TCP/IP協(xié)議，基站與門禁管理軟件完成實時數(shù)據(jù)交互的任務。經(jīng)過通信協(xié)議轉換后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡，基站完成無線組網(wǎng)和與相應的無線門鎖通信的任務。

無線門鎖作為精簡功能設備RFD（Reduced Function Device），負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制門鎖的功能，同時也必須保障安全穩(wěn)定的性能。在無線網(wǎng)絡通暢時，保持與基站之間實時通信，及時完成門禁管理軟件下達的指定任務。在離線狀態(tài)，依然能夠保證門鎖正常工作。所有開門記錄都將保存至無線門鎖和基站的存儲單元中。

門禁管理軟件是用來對整個無線門禁系統(tǒng)進行管理的，由數(shù)據(jù)庫，Web服務器，通訊軟件三個部分組成。其中數(shù)據(jù)庫負責來對整個無線門禁系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)進行存儲與管理。Web服務器是門禁管理軟件的核心部分，通過Web服務器提供的服務，用戶可以通過瀏覽器登錄系統(tǒng)來實現(xiàn)對整個門禁系統(tǒng)進行管理。如實現(xiàn)對門鎖下載數(shù)據(jù)，遠程控制門鎖，實時監(jiān)控每個門鎖節(jié)點的人員進出情況、開關門狀態(tài)信息，電池電量信息等功能。通訊軟件負責與系統(tǒng)中所有的基站進行通信，根據(jù)通訊協(xié)議下發(fā)指定的數(shù)據(jù)給基站。

3 硬件設計

3.1 基站設計

基站硬件主要分為以太網(wǎng)轉串口模塊、射頻模塊、存儲模塊和指示模塊四個模塊，其硬件結構如圖2所示。

圖2 基站硬件結構圖

以太網(wǎng)轉串口模塊采用嵌入式以太網(wǎng)轉串口模塊，體積小，并能十分便捷地完成以太網(wǎng)與串口之間的數(shù)據(jù)傳輸，滿足門禁管理軟件與基站之間的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)通信要求。

射頻模塊實現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集和無線通信的功能，采用TI公司的CC2530微控制器作為核心，完成無線網(wǎng)絡的組建和數(shù)據(jù)通信的功能。

存儲模塊采用型號為AT24C256N的E2PROM作為存儲單元，用于保存基站中的重要信息，包括基站基本信息、基站監(jiān)管下的門鎖列表、緩存數(shù)據(jù)、實時進出記錄等。

指示模塊實現(xiàn)對射頻模塊和以太網(wǎng)轉串口模塊的監(jiān)測，用于顯示當前基站的狀態(tài)，保障基站的正常運行。

3.2 無線門鎖設計

無線門鎖硬件主要有RFID讀卡模塊、時鐘模塊、射頻模塊、存儲模塊、指示模塊和電機驅動模塊六個模塊組成，硬件結構如圖3所示。

圖3 無線門鎖硬件結構圖

RFID讀卡模塊采用非接觸式13.56 MHz的MFRC522高集成度的讀寫卡芯片，將Mifire1標準IC卡作為開鎖鑰匙。在系統(tǒng)低功耗設計要求下，讀卡模塊通常處于休眠狀態(tài)，當有刷卡信息時，隨即喚醒系統(tǒng)并讀取卡片信息，完成相應動作。

時鐘模塊采用低功耗PCF8563T的CMOS實時時鐘/日歷芯片，可提供一個可編程時鐘輸出，用于系統(tǒng)時間設置和讀取。一個外部引腳中斷輸出，用于喚醒整個系統(tǒng)繼續(xù)工作。該模塊采用一個紐扣電池獨立供電，保障無線門禁在電池低電壓甚至斷電時時鐘芯片仍然保持正常工作。

射頻模塊實現(xiàn)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集和無線通信，采用TI（德州儀器）的CC2530微控制器作為核心。整個系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)以降低功耗。只有在有任務處理喚醒時系統(tǒng)會繼續(xù)工作，完成指定任務后，再次進入休眠狀態(tài)等待喚醒。

存儲模塊采用AT24C256N E2PROM作為存儲單元，用于保存無線門禁中的重要數(shù)據(jù)，包括無線門禁基本信息、卡片信息、進出記錄等。

指示模塊包含蜂鳴器、LED燈兩部分，當有相應權限的IC卡片接近時，LED閃爍提示，發(fā)出一聲短促的提示音；當完成一套正常的門鎖開關動作時，會有開門和關門音樂響起；當發(fā)現(xiàn)異常情況時，會發(fā)出警報提示。多種指示信息配合使用，便于管理人員日常維護，并提高門禁系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電機驅動模塊采用三極管組成H橋電路，通過微控制器驅動電機正反轉，完成門鎖基本開關動作。電機通斷時間較短，降低功耗以延長電池使用壽命。

無線門鎖的供電由兩部分組成，主要部分的供電由4節(jié)5號1.5 V堿性電池負責，通過一片HT7333低壓差線性穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流約為40 uA，在系統(tǒng)休眠時保障極低的功耗。另一部分是獨立的紐扣電池供電，用于提供時鐘芯片電源，保障系統(tǒng)實時時鐘和喚醒功能。通過AD采集電池電壓量，微控制器可以實時監(jiān)測當前電池狀態(tài)，當電壓過低時會反饋至門禁管理軟件，告知門禁管理人員及時更換電池，保障無線門禁系統(tǒng)的正常工作。

4 軟件設計

4.1 無線網(wǎng)絡的組建

在一個ZigBee無線網(wǎng)絡中，基站作為FFD全功能設備，具有協(xié)調器建立網(wǎng)絡的作用。當基站啟動后，進行無線網(wǎng)絡的組建，網(wǎng)絡組建成功后等待空間內(nèi)的無線門鎖（ZigBee設備）的入網(wǎng)請求；當所請求連接的設備屬于本基站監(jiān)管下的設備時，同意其接入網(wǎng)絡，并為該設備分配網(wǎng)絡地址。在本系統(tǒng)中，基站的網(wǎng)絡地址由實際應用場合進行按需分配。

無線門鎖作為RFD精簡功能設備，只進行簡單的數(shù)據(jù)收發(fā)工作，空閑時進入休眠狀態(tài)以降低功耗。無線門鎖（ZigBee設備）入網(wǎng)時，需要向基站提出請求，在基站收到該入網(wǎng)請求后根據(jù)情況判斷是否準許該設備入網(wǎng)。當無線門鎖成功接入所屬基站的網(wǎng)絡后，即可通過網(wǎng)絡地址進行正常的數(shù)據(jù)通信。

為保證無線通信的安全和穩(wěn)定，采用AES加密處理，選擇CCM模式運作。在無線數(shù)據(jù)通信時，特別是基站向指定門鎖下達命令時，通過信息驗證確認，才能準確正式執(zhí)行。

4.2 基站程序設計

本系統(tǒng)中，基站扮演了一個重要的數(shù)據(jù)中轉站的角色，可以說具有承上啟下的作用：從ZigBee無線網(wǎng)絡這一方面講，它具有協(xié)調器的功能；從TCP/IP網(wǎng)絡這一方面講，它具有網(wǎng)絡協(xié)議轉換的功能；數(shù)據(jù)的分析和命令的下達，都將由基站完成，其工作流程如圖4所示。

4.3 無線門鎖程序設計

無線門鎖設計的重點在于門鎖的低功耗，無線通信的可靠性與安全性。作為ZigBee網(wǎng)絡中的終端，在空閑時可進入休眠狀態(tài)以降低功耗；作為基本門鎖，當有IC卡接近時，根據(jù)卡片權限信息，完成相應動作，并將這條記錄保存并上傳至基站；當遇到異常情況時，能夠警報提示，并及時將情況反饋至門禁管理軟件，告知管理人員及時處理情況。在該系統(tǒng)中，充分考慮了系統(tǒng)在使用中的安全性，為門禁管理人員下發(fā)了一些特權卡和授權卡，具有管理員權限，應該妥善保管。如遇特殊情況時，可進行緊急開門處理；當無線通信出現(xiàn)故障時，也可以進行離線卡片管理操作，方便管理人員日常維護工作。同時，為保存無線通信的可靠性，采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）技術，防止多個門鎖及其他無線設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)形成的干擾。無線門鎖軟件的主要工作流程圖如圖5所示。

圖4 基站工作流程圖

圖5 無線門鎖工作流程圖

4.4 門禁管理軟件設計

門禁管理軟件采用B/S架構，用戶可以通過瀏覽器來實現(xiàn)對整個門禁系統(tǒng)進行管理，可以完成實時監(jiān)測門鎖通訊、電量、刷卡、異常報警等信息，實時管理不同人員的進出權限等功能。軟件基于Java EE平臺進行開發(fā)，以MySQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲，以Apache Tomcat 8作為服務器。為了減輕服務器的負擔，增加無線門鎖總容量與加快數(shù)據(jù)通訊的實時性，本系統(tǒng)中的服務器不直接與基站進行通訊，與基站的通訊由單獨的通訊軟件來完成。通訊軟件的總體工作流程如圖6所示。

通訊軟件負責與基站進行通訊，通訊的基站由管理軟件來指定。對于每一個基站，通訊軟件創(chuàng)建一個線程來與對應基站進行通訊。為保證系統(tǒng)通訊的實時性，軟件中創(chuàng)建了一個單獨的后臺線程來分析基站返回的數(shù)據(jù)，并將分析結果送到數(shù)據(jù)庫中。同時，為了使門鎖達到設計的低功耗要求，在正常情況下，通訊軟件不直接送命令去訪問無線門禁中的進出記錄、信號強度、門鎖電池狀態(tài)等數(shù)據(jù)，而是發(fā)送命令訪問存放在基站中的數(shù)據(jù)。因為這些數(shù)據(jù)都是門鎖在工作時主動上報給基站，正常情況下門鎖屬于睡眠狀態(tài)。

圖6 通訊軟件工作流程圖

5 結 語

本文在分析了傳統(tǒng)的有線門禁與離線門禁系統(tǒng)的優(yōu)缺點的基礎上，結合ZigBee技術的短距離，低功耗結點，提出了一種ZigBee技術的門禁系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)不僅具有有線門禁實時聯(lián)網(wǎng)、穩(wěn)定性好、安全性高等優(yōu)點，而且有效地解決了有線門禁系統(tǒng)中布線復雜的問題，安裝維修方便。無線門鎖節(jié)點按低功耗的要求進行設計，靜態(tài)電流約為40 uA，因此功耗非常低，4節(jié)干電池基本能使用一年。同時無線通訊數(shù)據(jù)傳輸采用AES等加密措施，保證聯(lián)網(wǎng)的安全可靠性。該系統(tǒng)具有安裝施工簡單、建設成本低、后期維護方便、安全性高等優(yōu)點，能有效地提高現(xiàn)有門禁系統(tǒng)的服務質量，降低安裝與維護成本，具有廣闊的應用前景。

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