基于ZigBee的無線門禁系統(tǒng)電子密碼鎖設計

文章出處：http://www.luckydriving.com 作者：胡兵，王剛 人氣： 發(fā)表時間：2011年07月12日

        隨著社會物質財富的增加，各種盜竊案件頻繁發(fā)生，防盜日漸成為人們日常生活所關心的問題。門鎖自古以來便是人們防盜的利器，人們對它的要求很高，既要安全可靠又要使用方便，長久以來，機械鎖被人們廣泛使用，在防盜方面發(fā)揮了重要的作用。

        然而機械鎖僅僅是單純的機械裝置，無論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能通過各種手段把它打開。此外隨著樓宇面積的擴大以及房間數量的增加，對機械鎖鑰匙的管理也變的十分復雜，其安全性也隨之降低。人們意識到孤立的門鎖已經無法起到可靠的防盜作用，必須將樓宇內的門鎖進行集中管理，于是一個安全可靠便于統(tǒng)一管理的門禁系統(tǒng)成為人們研究的重點。

        門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)，它集微機自動識別技術和現(xiàn)代安全管理措施為一體，設計電子、機械、光學、計算機技術、通信技術和生物技術等諸多新技術，是重要部門出入口實現(xiàn)安全防范管理的有效保障。隨著無線傳感網絡技術的發(fā)展，應用ZigBee 技術使得門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)變得更加簡單有效。

        現(xiàn)有的門禁系統(tǒng)有三種識別方式：密碼識別、卡片識別和生物識別。較之其他兩種方式，密碼識別具有操作方便，無須攜帶卡片；設計簡單；成本低等優(yōu)點[1]。

        門禁系統(tǒng)允許終端管理員對樓宇內的所有門鎖進行監(jiān)控，當門鎖出現(xiàn)安全隱患時，管理人員可及時調度保安人員進行防護，當樓宇內出現(xiàn)火災等事故時，管理員可及時打開相應的安全通道門鎖，對人員進行疏撒。電子密碼鎖門禁系統(tǒng)可廣泛應用于辦公樓、學校、賓館等部門。

    1 ZigBee 協(xié)議

        ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線傳感器網絡技術。ZigBee 技術并不是完全獨有、全新的標準.。它的物理層、MAC 層和數據鏈路層采用了IEEE 802.15.4 標準，并在此基礎上由Zigbee 聯(lián)盟制定了應用會聚層、應用層規(guī)范（API）和網絡層，組成了Zigbee 協(xié)議標準[1]. 整個協(xié)議架構如圖1 所示。

        ZigBee 網絡具有星型、樹型、網狀三種組網方式，每個ZigBee 網絡最多可支持65535個設備，也就是說每個ZigBee 設備可以與另外65534 個設備相連接[2]。這些設備之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信，每個設備只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個設備傳到另一個設備。每個網絡節(jié)點的距離可以由標準的75 米到擴展后的幾百米，甚至幾公里。ZigBee 網絡中有三種不同類型的設備：

        協(xié)調器：協(xié)調器負責啟動和配置網絡，它是網絡的第一個設備。協(xié)調器選擇一個信道和一個網絡ID，隨后啟動整個網絡。協(xié)調器也可以用來協(xié)助建立網絡中安全層和應用層的綁定。

        路由器：路由器允許其他設備加入網絡，多跳路由和協(xié)助它自己的終端節(jié)點進行通信。

        終端節(jié)點：終端節(jié)點沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設備[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、路由器、協(xié)調器以及上位機組成。電子密碼鎖通過ZigBee 網絡將實時的狀態(tài)發(fā)送給上位機，上位機對電子密碼鎖發(fā)送過來的數據進行記錄和管理，并可對電子密碼鎖進行控制。系統(tǒng)結構框圖如圖2 所示。

        系統(tǒng)實現(xiàn)功能：輸入8 位密碼，正確則打開門鎖，并向上位機發(fā)送門鎖已打開信息，上位機記錄開鎖時間；若密碼錯誤，密碼鎖進行短報警，并向上位機發(fā)送密碼輸入錯誤信息，上位機記錄密碼輸入錯誤時間；若連續(xù)輸錯三次，密碼鎖進行長報警，并向上位機發(fā)送存在危險指令，上位機記錄時間并向管理員報警。若要修改密碼，密碼鎖會向上位機發(fā)送密碼修改請求指令，經管理員同意后，上位機返回同意修改密碼指令，用戶方可修改密碼。上位機可實時監(jiān)控密碼鎖的開關狀態(tài)，當密碼鎖超過一定時間未關閉，上位機將向管理員發(fā)出警報。

    3 硬件設計

    3.1 硬件結構框圖

        硬件電路由單片機、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、揚聲器、開關鎖機構以及ZigBee 通信模塊組成，硬件結構框圖如3圖所示。

         單片機我們選用STC89C54，顯示模塊與鍵盤輸入選用周立功公司的ZLG7290B 來管理數碼管和鍵盤，ZigBee通信模塊選用Chipcon公司的cc2430來實現(xiàn)相關功能。 

  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 為基礎的2.4GHz ISM 波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051 控制器[4]。

        CC2430 的設計結合了8Kbyte 的RAM 及強大的外圍模塊，并且有3 種不同的版本，他們是根據不同的閃存空間32，64 和128kByte 來優(yōu)化復雜度與成本的組合。CC2430 引腳排列圖如圖4 所示。

    3.2.2 STC89C54

        89C54 單片機是MCS-51 系列單片機的派生產品。它們在指令系統(tǒng)、硬件結構和片內資源上與標準8052 單片機完全兼容，只是加大了內部程序存儲器Flash 的容量[5]。它的主要特點有：

    1.256×8 位內部RAM；

    2.3 個16 位定時/計數器（T0、T1、T2）；
 

    3.1 個全雙工、可編程串行通信口（UART）；
 

    4．6 個中斷源，2 個優(yōu)先級；
 

    5.4 個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，工作頻率為0～33MHz；
 

    8.3（1±0.1）V 供電時，工作頻率為0～12MHz；
 

    9.內部看門狗定時器（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發(fā)展有限公司自行設計的數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片。能夠直接驅動 8 位共陰式數碼管（或 64 只獨立的 LED） ，同時還可以掃描管理多達 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 內部還設置有連擊計數器，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線。提供相應的函數庫，可通過調用函數直接實現(xiàn)顯示與鍵盤輸入相應功能。該芯片為工業(yè)級芯片，抗干擾能力強，在工業(yè)測控中已有大量應用。 

    3.3 硬件原理圖

        電子密碼鎖硬件原理圖如圖5所示。

    4 軟件設計

    4.1 主程序框圖

        主程序實現(xiàn)以下功能：

        1.上電后顯示為“00000000”。
 

        2.按下數字鍵后在相應位顯示“8”。

        3.如輸入數字錯誤，按下退格鍵可清除上一位輸入。
 

        4.密碼輸入完畢后，按下確認鍵，如果輸入密碼完全正確，綠燈亮起，鎖打開。若輸入錯誤，視錯誤次數而定，如果錯誤小于三次，顯示錯誤次數，紅燈短閃爍，報警5 秒，顯示全部清除為“00000000”。若錯誤三次，先顯示“33333333”，紅燈長閃爍，報警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)送修改密碼請求，如果管理員同意修改，屏幕閃爍，密碼修改完畢。
 

        6.在開鎖狀態(tài)下，按下關鎖鍵，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 結語

        電子密碼鎖在生活生產的很多部門已被廣泛使用，通過結合ZigBee 技術，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。結合通信與控制技術，數量龐大的電子密碼鎖能夠被統(tǒng)一進行管理，這使得電子密碼鎖的安全系數得到大幅度提高。

        鑒于ZigBee技術近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本等特點，這種電子密碼鎖在學校、賓館、倉庫等許多地方具有良好的推廣價值?！吨袊萍颊撐脑诰€》（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院 胡兵，王剛）

    [參考文獻] ：
    [1] 李朝青單片機原理與接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，2003.
    [2] 江修波.ZigBee 技術及其應用[J].低壓電器，2005,（7）：27-33.
    [3] 李文仲，段朝玉.ZigBee 無線網絡技術入門與實踐[M].北京：航天航空大學出版社，2007.
    [4] 鄭州新雙恒信息技術有限公司.CC2430 數據手冊[Z].鄭州：鄭州新雙恒信息技術有限公司，2005.
    [5] 萬光毅，嚴義，邢春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航天航空大學出版社，2006.
    [6] 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.ZLG7290工作手冊[Z].廣州：廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2006