基于ZigBee技術的智能門鎖系統設計

陳劍棟 張林 彭國文

摘 ?要：隨著智能門鎖的廣泛應用，用戶對于其安全可靠性和高效便捷性等方面提出了新的要求，本文通過使用ZigBee無線技術，實現了智能門鎖的聯網系統，使智能門鎖能實現集中監控和管理。本系統適用于酒店公寓、宿舍等需要對智能門鎖進行集中管理的場所。

關鍵詞：物聯網;智能門鎖系統;集中監控;ZigBee無線技術

中圖分類號：TP273.5;TN92 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0169-03

Intelligent Door Lock System Design Based on ZigBee Technology

CHEN Jiandong1，ZHANG Lin1，PENG Guowen2

（1.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou ?510660，China;

2.Guangzhou Ligong Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou ?510660，China）

Abstract：With the wide application of intelligent door locks，new requirements are put forward for safety，reliability，efficiency and convenience，and so on. In this paper，ZigBee wireless technology is used to realize the network system of intelligent door locks，so that intelligent door locks can realize centralized monitoring and management. This system is especially suitable for hotel apartments，dormitories and other intelligent door locks that need centralized management.

Keywords：internet of things;intelligent door lock system;centralized monitoring;ZigBee wireless technology

0 ?引 ?言

隨著電子技術的發展，RF智能卡技術在門禁系統、金融支付等領域得到了廣泛的應用。RF智能卡門鎖具有加密強度大、不易被復制、防偽性好、可靠性高、使用便捷等優點，RF智能卡門鎖有逐漸取代傳統機械鑰匙門鎖的趨勢。隨著物聯網的發展，使用各種無線技術把智能門鎖進行聯網，給酒店公寓、宿舍等需要對智能門鎖進行集中監控和管理的場合提供了極大的便利。本文通過使用ZigBee無線技術，進行了對RF智能卡門鎖的集中監控和管理系統的設計。

1 ?系統概述

1.1 ?系統組成

智能門鎖系統主要分為3部分：終端門鎖、無線網關和服務平臺軟件。終端門鎖使用ZigBee無線通信把各種刷卡信息通過無線網關上報到服務平臺軟件，系統管理員使用服務平臺軟件通過無線網關把開鎖白名單下發到終端門鎖或執行遠程開鎖等操作。無線網關設計為同時支持4通道的ZigBee無線網絡，即一個無線網關可同時支持4個不同信道的終端門鎖接入，大大提高了終端門鎖的接入容量。系統組成如圖1所示。

1.2 ?系統的主要功能

智能門鎖系統包括如下功能：（1）終端門鎖根據存儲的開鎖白名單，只允許白名單的智能卡開鎖，非授權卡用戶不能開鎖;（2）終端門鎖向服務平臺上報刷卡流水信息;（3）系統管理員通過服務平臺下發授權終端門鎖的開鎖白名單;（4）系統管理員通過服務平臺執行遠程開鎖;（5）服務平臺提供查看各門鎖的刷卡流水信息和非授權卡的刷卡信息。

1.3 ?系統工作方式

終端門鎖具有地址和信道兩組撥碼開關，終端門鎖在安裝前先通過撥碼開關設置門鎖的地址和使用的通信信道。終端門鎖上電后，門鎖先向服務平臺發送請求校時命令，校時成功后，門鎖進入休眠模式。門鎖設置RF讀卡模塊定時1秒喚醒一次，進行低功耗尋卡，用于識別用戶刷卡開門行為，當檢測到開鎖白名單里的智能卡時，控制開鎖機構執行開鎖，并把當前這條開鎖信息和時間戳保存到存儲器里。

終端門鎖在上報校時命令給服務平臺軟件時，服務平臺根據管理的門鎖數量、門鎖的地址、門鎖的無線喚醒周期等給每個終端門鎖分配一個獨立的無線傳輸時間片，讓每個終端門鎖在上報喚醒報文和刷卡流水等信息時達到分時復用的效果，避免多個終端門鎖同時上報數據造成無線信號的沖突。根據工程經驗，系統給終端門鎖設置的喚醒周期為5秒，即門鎖會根據分配的時間片定時5秒被喚醒一次，門鎖喚醒后如果有刷卡流水信息則上報流水信息給服務平臺，否則就上報喚醒報文，服務平臺接收到刷卡流水信息或喚醒報文后，給門鎖回復應答信息，回復的應答信息里可包含給門鎖下發的開鎖白名單和遠程開鎖指令。

無線網關是連接終端門鎖和服務平臺的橋梁，負責把無線數據報文轉換成以太網數據報文。為使信號能覆蓋得更廣，本系統采用多個無線網關同時部署重疊覆蓋的方式，在終端門鎖上報數據時，在信號覆蓋范圍內的無線網關能同時收到同一個終端門鎖的數據報文，無線網關對門鎖數據報文經過協議轉換后，并把無線網關接收終端門鎖的無線信號強度附帶到數據報文里并轉發到服務平臺，服務平臺在從多個無線網關接收到相同的數據報文時，根據每個相同報文附帶的信號強度，選擇信號強度最好的無線網關給終端門鎖進行回復。采用這種多個無線網關同時覆蓋部署的方式，使現場施工調試難度降低，而且當后期如果信號受到干擾導致網關覆蓋范圍變小時，可隨時增加無線網關的部署，而無須改變整個系統結構。

2 ?系統設計

2.1 ?終端門鎖的設計

2.1.1 ?終端門鎖硬件設計

終端門鎖的硬件構成包括微控制器MCU、門鎖執行機構、RF讀卡模塊、ZigBee無線模塊等，終端門鎖設計框圖如圖2所示。

終端門鎖的微控制器采用飛思卡爾的Cortex-M0+處理器MKL26Z128，該處理器內置有RTC（實時時鐘），當處理器以能通過RTC喚醒的LLS模式工作時的功耗約為1.98μA，能滿足終端門鎖利用RTC實時時鐘實現分時復用的功能，并且休眠電流很小，降低了整個終端門鎖的功耗。

讀卡器模塊芯片采用中科微的超低功耗13.56M芯片SI522，該讀卡器模塊支持ISO/IEC 14443 A/MIFARE標準，模塊內部集成低功耗自動尋卡與定時喚醒功能，尋卡過程無需MCU操作，尋卡成功通過中斷喚醒MCU。

ZigBee模塊芯片采用NXP的JN5161芯片，該模塊在深度休眠模式下功耗極低，約為209nA，發射功率為2.5dBm。

存儲器采用一片2M的SPI Flash用于存儲門鎖的開鎖白名單及未上報的刷卡流水信息。SPI Flash的電源使用MOS管控制，當SPI Flash不需要操作時，MCU通過控制MOS管關閉Flash的電源，從而降低系統的整體功耗。

2.1.2 ?終端門鎖軟件設計

門鎖與服務平臺軟件間的交互協議包括：RTC校時、刷卡流水上報、喚醒報文上報、開鎖白名單下發、遠程開鎖等命令幀，各命令幀的流向圖如圖3所示。

終端門鎖與無線網關間采用IEEE 802.15.4 ZigBee標準協議幀進行傳輸，傳輸的幀格式如表1所示。

終端門鎖與服務平臺軟件間的交互協議存放在ZigBee協議幀的MAC層數據里，交互協議的報文幀格式如表2所示。

交互協議的幀頭使用一個字節0xA5表示數據幀開始;幀類型包括校時幀（數值為0x01）、喚醒報文幀（數值為0x 02）和刷卡報文幀（數值為0x03）;幀內容長度和幀內容根據幀類型字段填充;幀尾使用一個字節0x5A表示數據幀結束。

2.2 ?無線網關的設計

2.2.1 ?無線網關硬件設計

無線網關的硬件構成包括帶網絡接口的MCU、多路ZigBee無線模塊、工作指示燈等，其設計框圖如圖4所示。

無線網關的微控制器采用NXP的Cortex-M3處理器LPC1778，該處理器具有1路的以太網接口，5路的UART接口，可滿足一個網關同時支持4通道的ZigBee通信的應用。

2.2.2 ?無線網關軟件設計

無線網關負責完成終端門鎖和服務平臺間的ZigBee報文和以太網報文交互協議的轉換工作。

終端門鎖上報數據信息時，無線網關把終端門鎖發送的ZigBee通訊報文MAC層的交互協議剝離出來，并在交互協議上填充門鎖地址、無線網關地址及當前無線報文的信號強度三個協議字段。經過無線網關轉換后的交互協議如表3所示。

無線網關把轉換后的交互協議通過以太網發送到服務平臺軟件，服務平臺軟件根據多個無線網關上報的信息幀，通過門鎖地址和幀內容兩個協議字段剔除相同的報文幀，并根據不同網關上傳的報文幀里的信號強度字段，評判出上報信息的門鎖與哪個網關的通信質量是最好的，選擇通信質量最好的網關給門鎖回復應答報文。

2.3 ?服務平臺的設計

服務平臺軟件采用MVC的設計模型，包括模型層、視圖層和控制層。模型層是應用程序中用于處理應用程序數據邏輯的部分，通常模型對象負責在數據中存取數據;視圖層是應用程序中處理數據顯示的部分，通常視圖是依據模型數據創建的;控制層是應用程序中處理用戶交互的部分，通常控制器負責從視圖讀取數據，控制用戶輸入，并向模型發送數據。MVC分層有助于管理復雜的應用程序，并同時簡化了分組開發，使不同的開發人員可同時開發視圖、控制器邏輯和業務邏輯。服務平臺軟件的MVC框架如圖5所示。

服務平臺的前端頁面主要包括用戶登錄界面、查詢刷卡流水界面、授權界面及遠程開鎖界面等，用戶的刷卡信息存儲到MySQL數據庫中。系統管理員登錄后可根據門鎖所在的房間號和日期查詢門鎖的刷卡信息。服務平臺連接智能卡讀卡器，可把讀取到的卡信息下發到指定的門鎖，作為開鎖白名單。

3 ?系統性能

3.1 ?系統容量

一幀ZigBee報文的傳輸時間約為10ms，門鎖和服務平臺完成一次交互需要傳輸2幀ZigBee報文，傳輸時間約為20ms，考慮到數據有丟包重傳的情況出現，系統分配給終端門鎖的時間片為100ms，終端門鎖的喚醒上報周期為5s，即單個信道的ZigBee網絡最多可管理的終端門鎖數量為：

單信道終端門鎖數量==50個。

本系統的無線網關采用四信道ZigBee的設計方案，4個信道最多可管理的終端門鎖數量為50*4=200個。

ZigBee網絡可用的信道總共有16個，采用每4個信道作為一組網絡，把ZigBee的16個信道不重復使用的話最多可管理的終端門鎖數量為200*4=800個。

3.2 ?系統功耗

終端門鎖休眠電流約為6μA，工作電流約為22mA，每間隔5秒喚醒的工作時間為100ms，按照電池容量為2450mAh計算，終端門鎖的使用時長為：

使用時長=（）=20171300s。

轉換成天數為：使用時長==233天。

4 ?結 ?論

本文通過對智能卡門鎖系統中終端門鎖、無線網關和服務平臺的軟硬件設計方案介紹，實現了智能卡門鎖通過ZigBee無線技術進行聯網，并根據方案的設計特點分析并計算系統管理終端門鎖的容量及門鎖持續使用的時長，為智能卡門鎖進行集中監控和管理提供了合理的設計方案。方案中實現的多個網關重疊覆蓋部署的方式也為其他的無線組網應用提供了有利的參考。

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作者簡介：陳劍棟（1982-），男，漢族，廣東廣州人，嵌入式軟件工程師，工學學士，研究方向：嵌入式軟件、無線通信。