应时彦，周泽育，梅一珉(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

一种基于ZigBee的联网型无线门锁系统设计

应时彦，周泽育，梅一珉
(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

基于ZigBee无线通信与互联网技术，开发了一款低功耗的联网型无线门锁系统.无线门锁具有RFID卡片开门、数据交互、异常报警等功能，门锁管理系统软件实现对联网门锁的时间同步、授权管理、参数设置和电池监控，也可以通过移动端门禁管理应用进行远程监控.本系统的最大特点是实现了实时联网和门锁的低功耗设计，满足了市场上对安全高效联网型无线门锁系统的需求.测试结果表明：系统性能稳定可靠，具有较高的推广应用价值.

ZigBee；无线门锁；低功耗

“物联网”技术的迅猛发展，正在引导一场深刻的信息社会变革，在智能家居、智慧城市和安防监控等领域发挥了重要的作用，如面向物联网的突发事件应急物资的管理平台[1]、停车场管理系统等实际应用场景.无线联网门锁系统作为“物联网”技术的一个典型应用，更具有其独特的优点.目前，有线门禁系统在整个门禁系统市场中仍占有较高的配额，但由于其布线复杂、维护困难和成本高而逐步处于劣势；普通无线门锁虽省去了布线的困扰，但是无法实时监控门锁状态，安全性很低.无线联网型门锁系统是解决成本和安全的最有效方案，通过对数据收集、整合和分析，实时监控无线门锁状态.通过对门禁系统的实时监控，对门锁终端收集的数据进行融合，在估计人员进出流量、重点关口监控和人员考勤等方面表现出色，特别适合于宿舍、出租房、办公楼和酒店等场所.通过市场调研发现，由于无线门锁采用干电池供电方式工作，因此在持久工作续航方面也亟待改进.本课题将研究整个无线门锁系统的统一管理监控，通过对门禁系统的软硬件协同设计，深入研究ZigBee无线通信技术，并实现门禁系统的超低功耗要求.

1 系统设计

无线联网门锁系统主要设备包括上位机、无线基站、无线联网门锁和发卡器等，主要管理平台有上位机网页端门锁管理软件和移动端门禁管理应用.无线联网门锁系统结构如图1所示，整个系统主要包含三部分网络结构：一是上位机与无线基站之间以及门禁管理软件终端的有线网络，采用TCP/IP协议通信；二是基站与门锁之间的无线网络，采用ZigBee无线通信技术.整合系统平台应用，统一接口，能够快速方便地获取所需的数据，提高系统通信效率[2]；三是上位机与移动终端构成的WIFI网络，移动终端通过WIFI网络与上位机建立连接，完成相应的查询、管理等操作.

图1 无线联网门锁系统结构图Fig.1 The diagram of networking wireless lock system structure

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的无线传感网络技术，相比与蓝牙、WIFI等其他的无线传感网络技术，在功耗方面ZigBee有优势，在使用电池供电的低功耗无线门禁系统中十分适用；其次ZigBee具有很好的抗干扰能力，可在较复杂的环境下工作[3-4].

ZigBee网络拓扑结构主要包括星型、树形和网状三种拓扑结构.星型拓扑结构中每一个终端设备只能和协调器通信，具有结构简单、组网便捷和数据延迟小等优点，主要应用于结构轻便、节点少和通信范围小的数据采集环境中；树形拓扑结构的终端设备和其他设备通讯需要通过上一级设备代为接收或转发；网状拓扑结构是一种多跳传输的点对点网络结构，数据通过网络中的路由器相互路由接力转发，增大网络覆盖面积，具有自组织、自愈合和防碰撞的特点，其缺点是网络复杂、传输延时大，对路由器的数据处理能力要求较强[5-7].

无线联网门锁系统可应用于宿舍、出租房、办公楼和酒店等场合.在这些应用环境中，由于房间数量众多，门锁分布集中、位置相对固定等特点，无线网络分布参数较为稳定，因此选择较为简单实用的星型网络拓扑结构.无线门锁作为ZigBee终端设备，无线基站则充当协调器负责整个网络的组建和管理.根据不同的实际应用环境，通过合理布置无线基站节点位置，保证所有无线门锁都能正常接入ZigBee无线网络中.

本系统不但要求实时联网，也必须满足低功耗要求.无线门锁在大部分时间CPU和各个工作模块都处于睡眠状态，仅当有任务时才唤醒CPU完成相应的工作.所以当ZigBee网络成功组建完成后，整个网络的活跃度将取决与来自无线门锁被唤醒时发出的数据请求.当基站接收到某个门锁的数据请求后，将数据再次打包封装后通过TCP/IP协议发送至上位机，由上位机决定相应的数据或命令的下达.门锁管理软件的数据库采用MySQL，HTTP服务器采用Apache Tomcat 8，使用B/S架构的Java EE平台开发，由单独的通讯软件负责完成与基站的通讯；对于每一个无线基站，创建一个线程来进行数据交互；各个基站反馈的数据由一个单独的后台线程来分析，呈现可视化数据分析结果并将数据同步到数据库[8].门锁管理软件通过TCP/IP协议访问各个基站，并保持与无线门锁的数据通讯，可完成门锁的时间同步、授权管理、参数设置和电池监控等功能，具有十分丰富的管理操作，适合门禁管理人员日常维护使用.而移动端门禁管理应用可实现状态监测、记录查询和远程控制等功能.

本系统通过多种安全措施，保证人员和财产的安全：保存每次门锁进出记录，便于上位机进行查询；加强卡片权限管理，当非法卡多次试图刷卡开门后，记录卡号黑名单并触发异常报警；完善电池监控功能，对不同电压可选择不同工作模式，当电池低电时提示维护人员及时更换电池；当门锁没有关好时，将发出提示音，提醒人员进行处理.

2 软硬件设计

2.1 无线基站设计

无线基站是重要的数据中转站，扮演了承上启下的角色，完成通信协议在TCP/IP网络和ZigBee无线网络之间的相互转换，具有无线组网、数据交互和通信协议转换等功能，主要可分为微控制器、电源模块、以太网转串口模块和存储模块，其硬件结构如图2所示.

图2 无线基站硬件结构图Fig.2 The diagram of wireless station hardware structure

以太网转串口模块采用嵌入式以太网串口数据转换模块，通信最高波特率高达230.4 kbps.

电源模块采用K7803稳压芯片，可提供整个系统工作所需的电压.

存储模块主要用于保存基站下管理的门锁列表、进出记录等重要数据，采用I2C总线串行存储器，掉电不丢失数据.

CC2530微控制器具有低功耗8051微控制器内核，可满足2.4 GHz IEEE802.15.4，ZigBee，RF4CE应用.

无线基站作为数据中转站：向下表现为建立ZigBee无线网络，负责与无线门锁的数据收发工作；向上则通过TCP/IP网络与上位机保持通讯，接收来自门锁管理系统的命令并准确发送至对应无线门锁，上传无线门锁的状态、进出记录等信息，保证门锁管理软件能够准确实时监测所有无线门锁的状态，便于维护人员对整个大楼房间的日常维护，其工作流程如图3所示.

图3 基站软件工作流程图Fig.3 The workflow of wireless station software

2.2 无线联网门锁设计

无线联网门锁具备普通机械门锁的所有功能，还需兼备与无线基站之间的数据通信功能.因此无线门锁的硬件有微控制器、电源模块、RTC实时时钟模块、RFID读卡模块、存储模块、电机驱动模块和指示模块组成，硬件结构如图4所示.

图4 无线联网门锁硬件结构图Fig.4 The diagram of wireless lock hardware structure

无线门锁采用4节干电池供电，电源模块采用低压差稳压HT7333芯片，提供整个系统的供电.

RFID读卡模块使用非接触式13.56 MHz的MFRC522高集成度芯片，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本和低功耗的非接触式读卡芯片[9].基于MFRC522的读卡器，工作频率为13.56 MHz，读取ISO1443A标准的射频卡片[10].

电机驱动模块的全桥电路由三极管构成，通过程序控制端口输出电平来驱动电机，带动锁芯转轴正反转从而完成开关门任务.为实现系统低功耗要求，上桥采用PNP三极管，下桥采用NPN三极管；由于微控制器输出最高为3.3 V，无法使得PNP三极管完全截止，因此再增加一组NPN三极管.通过先控制NPN三极管来实现对上桥PNP三极管的通断控制.如图5所示，一共有4个端口共同控制全桥电路的上下桥通断状态.Left0，Left1为左半桥电路控制端，Right0，Right1为右半桥电路控制端：当Q3，Q8导通，Q4，Q7截止时，电机正转开门；当Q4，Q7导通，Q3，Q8截止时，电机反转关门，从而完成开关门的逻辑控制.

图5 全桥电路图Fig.5 The diagram of full bridge circuit

CC2530微控制器包含2.4 G射频模块，同时采用5 cm的2.4 GHz短天线，封闭在锁具之内，保证正常的发射功率又能使整个门锁结构紧凑.

RTC实时时钟模块采用PCF8563实时时钟/日历芯片，采用纽扣电池独立供电，芯片供电电路图如图6所示，可作为一个实时时钟进行计时；同时产生INT定时中断输出，用于唤醒CPU，实现低功耗.采用I2C通信协议，微控制器可通过SCL时钟线和SDA数据线与时钟芯片进行通信.

图6 时钟芯片供电电路图Fig.6 The diagram of clock chip power circuit

存储模块选用的AT24C256N的EEPROM，用于保存该门锁的重要数据，如卡片信息、进出记录等.指示模块包含蜂鸣器和LED灯两部分，面对不同情况时发出相应的提示信息.整体无线门锁硬件核心板实物如图7所示.

图7 核心板实物图Fig.7 The physical map of core board

在CC2530在电源管理中，可有五种不同的运行模式，分别为主动模式、空闲模式、PM1(Power mode1)、PM2和PM3.系统根据不同的任务切换不同CPU运行模式，以期达到最佳的性能和最低的功耗.

主动模式是一般模式，而PM3具有最低的功耗.根据不同的任务切换不同CPU运行模式，并关闭相应外设模块，以期达到最佳的性能.优化程序算法以缩短CPU唤醒时的工作时间，最大限度降低功耗.如无线通信时，设置寄存器PCON=0x00，唤醒CPU工作，完成对无线基站的数据交互任务，并执行指定动作；当完成任务后，设置寄存器PCON=0x01，再次进入休眠状态等待下次唤醒.设置合理的读卡间隔，在保证能够正常读卡的同时，降低读卡模块的功耗，延长电池的使用寿命.软件工作流程图如图8所示.

图8 无线联网门锁工作流程图Fig.8 The workflow of wireless lock software

3 低功耗设计

3.1 单片机端口设置

低功耗设计要求系统在待机时，尽可能减少消耗的电流，单片机的端口必须设置在合理的模式.在无线门锁中，需要进行开关量(各个弹簧舌状态)的监测、电池电压测量和控制驱动三极管状态等.普通引脚在待机时，应该设置为高阻态模式，消除拉电流的影响.电池电压测量方案与一般分压测量有所不同，普通电阻分压法必然导致电流的损失，因此将分压电阻不直接接地，而是接到LED灯上.仅当LED灯点亮时，通过ADC采集电压值并换算成实际的电池电压值.各个驱动三极管在待机时也必须保持截止状态，如蜂鸣器输出引脚保持驱动三极管截止，降低系统功耗.

3.2 读卡模式

在系统调试中发现，相比于其他市面上的刷卡门锁，读卡模块部分功耗偏高，导致系统整体性能下降.因此，改进了识别IC卡的模式，每次读卡先只读取第0扇区前1，2个字节，判别是否为空字节.若是空字节，表明无卡靠近，系统立即进入休眠状态，等待下次定时唤醒；若不是空字节，表明有卡，再进行一次性读取卡中信息，读卡函数流程图如图9所示.

图9 读卡函数流程图Fig.9 The workflow of reading card

因此，待机时大大减少一次性从第0扇区中读取的字节数，有效降低了读卡的功耗.通过再次系统测试，单位时间内耗电量明显下降，有效延长了电池使用寿命.经过测试，其休眠时静态平均电流约为12 μA，改进前后的静态平均电流对比如图10所示.与市面上存在的大部分无线门锁相比，降低了系统功耗，具有实用推广价值.

图10 静态平均电流对比图Fig.10 The diagram of static average current contrast

3.3 通信测试

模拟现场应用场景，完成实验室系统测试环境搭建：上位机通过5个无线基站，监控管理20道无线门锁.上位机通过开关门、远程授权和电池监控等所有基本操作，进行多把无线门锁的并发、冲突和稳定性测试.试验结果发现：多把无线门锁均可正确执行命令和实现监控管理，当通信产生冲突时将由数据重发机制保障通讯稳定性，系统鲁棒性较强.当上位机多条命令同时下达时，会存在通信时延，将进一步完善程序，达到更快速、稳定和安全的门锁监控管理.

4 结 论

介绍了一种基于ZigBee技术的联网型无线门锁系统设计，探讨Zigbee无线组网和低功耗软硬件协同设计两个关键技术，完成了相应硬件电路与软件的开发及系统测试环境搭建.测试结果表明：系统所有功能正确，低功耗设计满足要求，门锁安全性较高，具有便捷灵活丰富多样的管理操作，便于门禁管理人员日常维护工作，具有很高的应用推广价值.

[1] 王亚良，金寿松，董晨晨.应急物资储备选址与调度建模研究[J].浙江工业大学学报，2014,42(6):682-685.

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[3] 吴世通.基于ZigBee技术的无线门禁系统[D].苏州：苏州大学，2013.

[4] 樊明如，樊欢.基于ZigBee的门禁系统[J].南阳理工学院学报，2013,5(6):18-21.

[5] 陶遂.基于ZigBee技术的无线门禁系统设计[D].苏州：苏州大学，2012.

[6] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[7] HAN D M, LIM J H. Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE transactions on consumer electronics，2010,56(3):1403-1410.

[8] 王金龙，应时彦，周泽育.基于ZigBee的无线联网门锁设计[J].物联网技术，2015,5(10):49-52.

[9] 朱晓林.基于射频识别的嵌入式门禁系统设计[D].天津：河北工业大学，2007.

[10] 陈杰，应时彦，朱华.基于MFRC522的RFID读卡器设计[J].浙江工业大学学报，2014,42(6):616-620.

(责任编辑：陈石平)

A design of networked wireless lock system based on ZigBee

YING Shiyan, ZHOU Zeyu, MEI Yimin
(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Based on ZigBee wireless communication and Internet technology, a low power consumption of networked wireless access control system is developed. Wireless lock has the function of opening door with RFID card, data exchange, abnormal alarm and so on, the software of lock system management realizes the time synchronization, authorization management, parameter setting and battery monitoring for the networked lock. The mobile terminal management application can be used to realize remote monitoring. The most important feature of the system is to achieve the real-time networking and low power consumption of lock, which satisfies the needs of a safe and efficient networked wireless lock system. The test results show that the system is stable and reliable, and it has a high value to promote the application.

ZigBee; wireless lock; low power consumption

2016-09-12

浙江省公益性技术应用研究计划项目(2016C31058)

应时彦(1964—)，男，浙江嵊州人，教授，研究方向为信息技术应用，E-mail：ysy@zjut.edu.cn.

TP391

A

1006-4303(2017)02-0153-06