基于ZigBee 的智能門鎖系統設計

賀云飛，甘 雨，，肖國銳

（1.湖南北斗微芯產業發展有限公司，湖南 長沙 410000；2.戰略支援部隊信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450001）

隨著電子技術的發展，家居的智能化已成為必然的趨勢。智能門鎖作為家居安全的重要“守門員”，其重要性不言而喻[1]。門鎖的智能化技術核心在于門鎖權限的控制和門鎖狀態的反饋，能夠讓用戶實時掌控家里的門鎖狀態。

采用無線通信技術控制終端門鎖，其優勢在于安裝方便，不需要布線。ZigBee 技術具有低功耗、低延時、低成本、網絡容量大、安全性高等特點，并且能夠實現自組網，具有較強的網絡恢復能力，相較于藍牙、WiFi、LoRa 等無線技術[2-5]，具有明顯優勢。該設計采用ZigBee 技術實現智能門鎖系統，功耗低、實時性高，對于酒店、宿舍等需要對門鎖集中監控管理的場合提供了極大的便利[6]。

1 系統總體設計

智能門鎖系統由終端門鎖、無線網關、云平臺及用戶終端組成，主要功能是檢測門鎖的狀態，實現遠程門鎖的開關控制及管理。ZigBee 網絡采用星型網絡拓撲結構，終端門鎖作為終端節點，無線網關作為協調器[7-8]，系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

終端門鎖通過ZigBee 網絡連接到協調器，將檢測到的門鎖狀態信息上傳平臺，同時終端門鎖根據協調器下發的控制指令執行門鎖的開關操作；無線網關作為終端門鎖和平臺的橋梁，通過以太網和平臺連接，實現終端門鎖和平臺的雙向通信，同時無線網關負責對終端門鎖的安全性管理[9]。

用戶終端將終端門鎖的地址和門鎖的白名單下發給無線網關，終端門鎖注冊入網過程中，無線網關通過比對門鎖的地址來控制門鎖接入的權限，用戶終端下發控制指令到無線網關，無線網關根據白名單進行匹配，在白名單目錄內的才允許將控制指令轉發給終端門鎖；無線網關對終端門鎖的在線狀態進行管理，監測到終端門鎖離線則反饋給平臺。

平臺記錄所有終端門鎖、無線網關的工作狀態，記錄終端門鎖的開鎖記錄等，做到用戶終端實時掌控門鎖的信息。

2 硬件設計

ZigBee 網絡終端節點和協調器選用CC2530 片上系統作為ZigBee 模塊[10]，CC2530 片上集成了RF 收發器和增強型8051 內核，在發射模式下，電流損耗低于30 mA，休眠模式下低于0.4 μA，且主動模式和休眠模式的切換時間非常短，非常適用于超低功耗要求的系統。

2.1 終端門鎖硬件設計

終端門鎖由CC2530、電源模塊、驅動模塊、按鍵、AD 轉換電路等組成，如圖2 所示。

圖2 終端門鎖硬件框圖

終端門鎖采用干電池供電，對整體功耗的要求高，門鎖以CC2530 的片內8051 內核作為系統的微控制器[10-11]，微控制器通過AD 轉換電路獲取干電池的電壓值，作為電池電量判斷的依據；按鍵用作系統復位操作，通過按鍵操作實現微控制器自動復位；JTAG 接口用作程序仿真，仿真器使用CC Debugger仿真器；串口用作參數配置調試；門鎖鎖體和微控制器之間通過五線進行連接，其中，三線分別是鎖舌信號線、反鎖信號線和開鎖信號線[12]。鎖舌信號體現鎖體是否上鎖；反鎖信號體現鎖體是否反鎖；開鎖信號體現鎖體是否通過鑰匙或指紋進行了開鎖操作，微控制器通過讀取信號線的高低電平來判斷門鎖的狀態。另外兩線是微控制器通過驅動模塊和門鎖鎖體的電機相連接，實現電機的正反轉控制，拖動鎖舌實現開關鎖操作。主控電路原理圖如圖3 所示。

圖3 終端門鎖主控電路原理圖

門鎖采用L7010R 馬達控制驅動芯片來驅動電機，L7010R 是控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，CC2530 通過MA+和MA-兩個輸出端口控制驅動芯片驅動電機正反轉來實現開關鎖操作。網絡標簽號SUOSHE、MECKEY和FANSUO 分別代表鎖舌信號線、開鎖信號線以及反鎖信號線，這三根線和電機驅動信號線通過接線端子和鎖體相連接，網絡標簽號DIANLIANG 連接干電池，通過ADC 采集電量信息，KEY 和RESET 分別連接按鍵電路和復位電路。

2.2 無線網關硬件設計

無線網關由CC2530、STM32F103RCT6、蜂鳴器、電源模塊、以太網等組成，如圖4 所示。

圖4 無線網關硬件框圖

CC2530 作為ZigBee 網絡部分的微控制器，完成協調器功能，實現和門鎖的無線通信；CC2530 通過串口和主控芯片STM32F103RCT6 相連接。蜂鳴器作為提示音，提示終端門鎖是否成功接入無線網關，方便用戶對終端門鎖的對接調試。無線網關和平臺之間通過以太網相連接，考慮到無線網關供電的便利性，電源部分支持外部電源輸入供電，也支持POE供電方式；串口2 用作無線網關的參數配置以及調試，圖5 是主控制器STM32F103RCT6 原理圖。

圖5 主控制器STM32F103RCT6原理圖

以太網[13]采用W5500 芯片來實現，W5500 芯片是一款集成全硬件TCP/IP 協議棧的嵌入式以太網控制器，主控制器通過SPI 接口控制W5500 芯片實現網絡通信，同時W5500 的工作模式定義了引腳和主控芯片相連接，主控芯片通過設置工作模式引腳的高低電平實現W5500 的工作模式。

3 軟件設計

CC2530 的軟件開發提供了一套完整的Z-Stack協議棧[14]，Z-Stack 協議棧是一個基于時間片任務輪詢方式的操作系統，Z-Stack 的主要執行流程包括關閉所有中斷、芯片外設初始化、芯片內部初始化、操作系統初始化、打開所有中斷和執行操作系統。在任務輪詢過程中，根據任務的優先級檢測任務是否就緒，查詢每個任務是否有事件發生，如果有事件發生，則執行相應的事件處理函數，如果沒有事件發生，則查詢下一個任務[15]。

3.1 終端門鎖軟件設計

終端門鎖作為ZigBee 網絡中的終端節點，采用低功耗工作模式，執行休眠、喚醒、休眠循環的工作方式。終端門鎖的主體軟件流程如圖6 所示。

圖6 終端門鎖的程序的流程

終端門鎖主要完成以下功能點：1）檢測門鎖狀態；2）檢測電池電壓上報平臺；3）執行協調器下發的控制開關鎖指令。

系統啟動后首先對硬件和協議棧進行初始化，為了門鎖的安全性，硬件初始化過程中，微控制器驅動電機默認處于門鎖關閉狀態。終端門鎖檢查ZigBee 網絡，嘗試連接協調器，如果連接失敗，則設置休眠時間，進入休眠狀態，自動喚醒后重新嘗試連接協調器，直到連接成功。如果終端門鎖在多次嘗試連接失敗的情況下，系統調節休眠時長做到降低電量的消耗。

在終端門鎖成功連接協調器后，執行低功耗工作機制，周期性地從休眠當中喚醒后偵測有無事件要處理，若有事件要處理，處理完之后進入休眠，否則立即休眠，為了保證實時響應協調器下發的控制指令，系統每隔300 ms 喚醒一次，進行事件偵測。

系統每次喚醒后，都會檢測門鎖的狀態信息，若門鎖的狀態發生變化，則立即將門鎖的狀態信息進行上報。電池電壓的檢測不需要頻繁進行，每隔1 h喚醒檢測一次。

若系統在喚醒后偵測到協調器下發的控制指令，接收控制指令后，如果是開鎖指令，則立即執行開鎖，同時，為了防止門鎖長期打開的安全性問題，系統在延時10 m 后自動執行關鎖指令。

微控制器驅動電機的引腳MA+為高電平，MA-為低電平則電機正轉，驅動電機關鎖；MA+為低電平，MA-為高電平則電機反轉，驅動電機開鎖，MA+和MA-同時為高電平，則電機停止工作。微控制器在執行開關鎖操作后，延時100 ms，然后再驅動電機停止工作。

3.2 無線網關軟件設計

無線網關的程序包括ZigBee 協調器程序和主控程序。協調器程序由CC2530 完成，主要功能包括：1）建立ZigBee 網絡，接收終端節點加入網絡；2）實現終端節點數據轉發；3）實現主控程序的數據轉發。協調器程序執行流程如圖7 所示。

圖7 協調器程序的流程

CC2530 執行過程中不需要考慮低功耗機制，系統啟動后，檢測網絡節點的入網操作，對于已入網的終端節點，CC2530 循環檢測終端節點是否有數據，在接收到終端節點數據下直接通過串口轉發給主控程序，同時CC2530 接收到串口數據后，自動采用無線方式發送給終端節點。

主控程序由STM32F103RCT6 完成，主要完成以下功能：1）平臺的數據通信；2）協調器的數據通信；3）平臺、協調器數據的處理；4）終端節點的管理。執行流程如圖8 所示。

圖8 無線網關主控程序的流程

主控程序硬件初始化后，對協調器進行復位操作，啟動協調器運行，主控程序根據配置的網絡參數，采用MQTT 通信協議[16-17]和平臺相連接，MQTT 協議使用發布/訂閱消息模式提供一對多的消息發布，解除了應用程序的耦合。

主控程序通過串口接收協調器轉發的終端節點的數據，主控程序接收到終端節點的注冊成功信息后，則將該終端節點標記為上線，同時通過蜂鳴器鳴叫一聲進行提示，后續通過接收終端節點的心跳數據來判斷終端節點是否在線，主控程序通過MQTT協議發布終端節點狀態到平臺。對于終端節點的電池電壓、門鎖狀態等參數信息，主控程序接收到信息以后不做任何處理，直接通過MQTT 進行發布。

主控程序通過MQTT 協議訂閱相應的主題，接收平臺下發的控制指令，對于接收到的控制指令，主控程序根據存儲的白名單進行對比過濾，將合法的數據通過協調器轉發給終端節點。

4 系統測試

智能門鎖系統實物圖如圖9 所示，測試過程如下：首先給終端門鎖和無線網關進行通電啟動，無線網關的蜂鳴器鳴叫一聲，說明終端門鎖成功連接到無線網關，一段時間后斷電重啟無線網關，無線網關的蜂鳴器自動鳴叫一聲，說明終端門鎖在斷開連接的情況下能夠自動重連，反復試驗，成功率達100%。

圖9 智能門鎖系統實物圖

利用MQTT 網絡調試助手，按照無線網關訂閱的主題向無線網關下發開鎖指令，終端門鎖鳴叫一聲，說明開鎖成功，終端門鎖在10 s 后自動關鎖，重復試驗100 次，測試成功率達95%以上。

在終端門鎖串聯電流表來測試功耗，終端門鎖在低功耗休眠下電流為20 μA，終端門鎖在喚醒發送接收數據瞬間電流達30 mA。

5 結束語

通過對基于ZigBee 的智能門鎖系統的設計，實現了終端門鎖系統網絡互連的功能，用戶可以遠程下發控制指令控制門鎖的開關操作，終端門鎖實時上傳門鎖的狀態信息。通過驗證測試，終端門鎖靜態電流小于20 μA，功耗極低，符合干電池供電的要求，同時開鎖成功率達95%以上，系統運行穩定，下發控制指令能夠實時反饋，具有較好的實用價值。