基于ZigBee的無(wú)線門禁系統(tǒng)電子密碼鎖設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：胡兵，王剛 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年07月12日

        隨著社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的增加，各種盜竊案件頻繁發(fā)生，防盜日漸成為人們?nèi)粘Ｉ钏P(guān)心的問(wèn)題。門鎖自古以來(lái)便是人們防盜的利器，人們對(duì)它的要求很高，既要安全可靠又要使用方便，長(zhǎng)久以來(lái)，機(jī)械鎖被人們廣泛使用，在防盜方面發(fā)揮了重要的作用。

        然而機(jī)械鎖僅僅是單純的機(jī)械裝置，無(wú)論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多么合理，材料多么堅(jiān)固，人們總能通過(guò)各種手段把它打開(kāi)。此外隨著樓宇面積的擴(kuò)大以及房間數(shù)量的增加，對(duì)機(jī)械鎖鑰匙的管理也變的十分復(fù)雜，其安全性也隨之降低。人們意識(shí)到孤立的門鎖已經(jīng)無(wú)法起到可靠的防盜作用，必須將樓宇內(nèi)的門鎖進(jìn)行集中管理，于是一個(gè)安全可靠便于統(tǒng)一管理的門禁系統(tǒng)成為人們研究的重點(diǎn)。

        門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)，它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，設(shè)計(jì)電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和生物技術(shù)等諸多新技術(shù)，是重要部門出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效保障。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用ZigBee 技術(shù)使得門禁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得更加簡(jiǎn)單有效。

        現(xiàn)有的門禁系統(tǒng)有三種識(shí)別方式：密碼識(shí)別、卡片識(shí)別和生物識(shí)別。較之其他兩種方式，密碼識(shí)別具有操作方便，無(wú)須攜帶卡片；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

        門禁系統(tǒng)允許終端管理員對(duì)樓宇內(nèi)的所有門鎖進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)門鎖出現(xiàn)安全隱患時(shí)，管理人員可及時(shí)調(diào)度保安人員進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)樓宇內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)等事故時(shí)，管理員可及時(shí)打開(kāi)相應(yīng)的安全通道門鎖，對(duì)人員進(jìn)行疏撒。電子密碼鎖門禁系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于辦公樓、學(xué)校、賓館等部門。

    1 ZigBee 協(xié)議

        ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn).。它的物理層、MAC 層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上由Zigbee 聯(lián)盟制定了應(yīng)用會(huì)聚層、應(yīng)用層規(guī)范（API）和網(wǎng)絡(luò)層，組成了Zigbee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]. 整個(gè)協(xié)議架構(gòu)如圖1 所示。

        ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀三種組網(wǎng)方式，每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個(gè)設(shè)備，也就是說(shuō)每個(gè)ZigBee 設(shè)備可以與另外65534 個(gè)設(shè)備相連接[2]。這些設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，每個(gè)設(shè)備只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離可以由標(biāo)準(zhǔn)的75 米到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有三種不同類型的設(shè)備：

        協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來(lái)協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定。

        路由器：路由器允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

        終端節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設(shè)備[3]。

    2 系統(tǒng)概述

        該門禁系統(tǒng)由電子密碼鎖、ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)組成。電子密碼鎖通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)的狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)電子密碼鎖發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理，并可對(duì)電子密碼鎖進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

        系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能：輸入8 位密碼，正確則打開(kāi)門鎖，并向上位機(jī)發(fā)送門鎖已打開(kāi)信息，上位機(jī)記錄開(kāi)鎖時(shí)間；若密碼錯(cuò)誤，密碼鎖進(jìn)行短報(bào)警，并向上位機(jī)發(fā)送密碼輸入錯(cuò)誤信息，上位機(jī)記錄密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)間；若連續(xù)輸錯(cuò)三次，密碼鎖進(jìn)行長(zhǎng)報(bào)警，并向上位機(jī)發(fā)送存在危險(xiǎn)指令，上位機(jī)記錄時(shí)間并向管理員報(bào)警。若要修改密碼，密碼鎖會(huì)向上位機(jī)發(fā)送密碼修改請(qǐng)求指令，經(jīng)管理員同意后，上位機(jī)返回同意修改密碼指令，用戶方可修改密碼。上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控密碼鎖的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)密碼鎖超過(guò)一定時(shí)間未關(guān)閉，上位機(jī)將向管理員發(fā)出警報(bào)。

    3 硬件設(shè)計(jì)

    3.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

        硬件電路由單片機(jī)、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、揚(yáng)聲器、開(kāi)關(guān)鎖機(jī)構(gòu)以及ZigBee 通信模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如3圖所示。

         單片機(jī)我們選用STC89C54，顯示模塊與鍵盤輸入選用周立功公司的ZLG7290B 來(lái)管理數(shù)碼管和鍵盤，ZigBee通信模塊選用Chipcon公司的cc2430來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。 

  3.2 硬件芯片介紹

    3.2.1 CC2430

        CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM 波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器[4]。

        CC2430 的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte 的RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3 種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64 和128kByte 來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。CC2430 引腳排列圖如圖4 所示。

    3.2.2 STC89C54

        89C54 單片機(jī)是MCS-51 系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。它們?cè)谥噶钕到y(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8052 單片機(jī)完全兼容，只是加大了內(nèi)部程序存儲(chǔ)器Flash 的容量[5]。它的主要特點(diǎn)有：

    1.256×8 位內(nèi)部RAM；

    2.3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T0、T1、T2）；
 

    3.1 個(gè)全雙工、可編程串行通信口（UART）；
 

    4．6 個(gè)中斷源，2 個(gè)優(yōu)先級(jí)；
 

    5.4 個(gè)8 位I/O 口（32 位I/O 引腳）；
 

    6.TTL 和CMOS 電平全兼容；
 

    7.5（1±0.1）V 供電時(shí)，工作頻率為0～33MHz；
 

    8.3（1±0.1）V 供電時(shí)，工作頻率為0～12MHz；
 

    9.內(nèi)部看門狗定時(shí)器（WDT）；
 

    10.支持3 種省電模式：空閑、下電和等待，并且支持外部低電平中斷退出下電模式。

    3.2.3 ZLG7290B

        ZLG7290B 是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片。能夠直接驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立的 LED） ，同時(shí)還可以掃描管理多達(dá) 64 只按鍵。其中有 8 只按鍵還可以作為功能鍵使用，就像電腦鍵盤上的 Ctrl、Shift、Alt 鍵一樣。另外 ZLG7290B 內(nèi)部還設(shè)置有連擊計(jì)數(shù)器，能夠使某鍵按下后不松手而連續(xù)有效。采用 I2C 總線方式，與微控制器的接口僅需兩根信號(hào)線。提供相應(yīng)的函數(shù)庫(kù)，可通過(guò)調(diào)用函數(shù)直接實(shí)現(xiàn)顯示與鍵盤輸入相應(yīng)功能。該芯片為工業(yè)級(jí)芯片，抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)測(cè)控中已有大量應(yīng)用。 

    3.3 硬件原理圖

        電子密碼鎖硬件原理圖如圖5所示。

    4 軟件設(shè)計(jì)

    4.1 主程序框圖

        主程序?qū)崿F(xiàn)以下功能：

        1.上電后顯示為“00000000”。
 

        2.按下數(shù)字鍵后在相應(yīng)位顯示“8”。

        3.如輸入數(shù)字錯(cuò)誤，按下退格鍵可清除上一位輸入。
 

        4.密碼輸入完畢后，按下確認(rèn)鍵，如果輸入密碼完全正確，綠燈亮起，鎖打開(kāi)。若輸入錯(cuò)誤，視錯(cuò)誤次數(shù)而定，如果錯(cuò)誤小于三次，顯示錯(cuò)誤次數(shù)，紅燈短閃爍，報(bào)警5 秒，顯示全部清除為“00000000”。若錯(cuò)誤三次，先顯示“33333333”，紅燈長(zhǎng)閃爍，報(bào)警10 秒，鍵盤輸入被鎖，由管理員端方能解鎖，然后顯示全部清除為“00000000”。在各種情況下，均向管理員發(fā)送密碼鎖狀態(tài)。
 

        5.在開(kāi)鎖狀態(tài)下，輸入要重置的密碼，按下重置密碼鍵，密碼鎖向管理員發(fā)送修改密碼請(qǐng)求，如果管理員同意修改，屏幕閃爍，密碼修改完畢。
 

        6.在開(kāi)鎖狀態(tài)下，按下關(guān)鎖鍵，綠燈熄滅，顯示全部清除為“00000000”。電子密碼鎖主程序框圖如圖6 所示。

    4.2 密碼比較程序框圖

        密碼比較程序框圖如圖7 所示。

    4.3 修改密碼子程序框圖

        修改密碼子程序框圖如圖8 所示。

    5 結(jié)語(yǔ)

        電子密碼鎖在生活生產(chǎn)的很多部門已被廣泛使用，通過(guò)結(jié)合ZigBee 技術(shù)，電子密碼鎖不再孤立的起到防衛(wèi)作用，而是更加系統(tǒng)化、規(guī)范化。結(jié)合通信與控制技術(shù)，數(shù)量龐大的電子密碼鎖能夠被統(tǒng)一進(jìn)行管理，這使得電子密碼鎖的安全系數(shù)得到大幅度提高。

        鑒于ZigBee技術(shù)近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)，這種電子密碼鎖在學(xué)校、賓館、倉(cāng)庫(kù)等許多地方具有良好的推廣價(jià)值?！吨袊?guó)科技論文在線》（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 胡兵，王剛）

    [參考文獻(xiàn)] ：
    [1] 李朝青單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.
    [2] 江修波.ZigBee 技術(shù)及其應(yīng)用[J].低壓電器，2005,（7）：27-33.
    [3] 李文仲，段朝玉.ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)踐[M].北京：航天航空大學(xué)出版社，2007.
    [4] 鄭州新雙恒信息技術(shù)有限公司.CC2430 數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].鄭州：鄭州新雙恒信息技術(shù)有限公司，2005.
    [5] 萬(wàn)光毅，嚴(yán)義，邢春香.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006.
    [6] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.ZLG7290工作手冊(cè)[Z].廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2006