基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統電子密碼鎖設計

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

        隨著(zhù)社會(huì )物質(zhì)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(guān)心的問(wèn)題。門(mén)鎖自古以來(lái)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(cháng)久以來(lái)，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(wú)論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能通過(guò)各種手段把它打開(kāi)。此外隨著(zhù)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(mén)鎖已經(jīng)無(wú)法起到可靠的防盜作用，必須將樓宇內的門(mén)鎖進(jìn)行集中管理，于是一個(gè)安全可靠便于統一管理的門(mén)禁系統成為人們研究的重點(diǎn)。

        門(mén)禁系統是新型現代化公共安全管理系統，它集微機自動(dòng)識別技術(shù)和現代安全管理措施為一體，設計電子、機械、光學(xué)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和生物技術(shù)等諸多新技術(shù)，是重要部門(mén)出入口實(shí)現安全防范管理的有效保障。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，應用ZigBee 技術(shù)使得門(mén)禁系統的實(shí)現變得更加簡(jiǎn)單有效。

        現有的門(mén)禁系統有三種識別方式：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(wú)須攜帶卡片；設計簡(jiǎn)單；成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

        門(mén)禁系統允許終端管理員對樓宇內的所有門(mén)鎖進(jìn)行監控，當門(mén)鎖出現安全隱患時(shí)，管理人員可及時(shí)調度保安人員進(jìn)行防護，當樓宇內出現火災等事故時(shí)，管理員可及時(shí)打開(kāi)相應的安全通道門(mén)鎖，對人員進(jìn)行疏撒。電子密碼鎖門(mén)禁系統可廣泛應用于辦公樓、學(xué)校、賓館等部門(mén)。

    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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。ZigBee 技術(shù)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(huì )聚層、應用層規范（API）和網(wǎng)絡(luò )層，組成了Zigbee 協(xié)議標準[1]. 整個(gè)協(xié)議架構如圖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)設備，也就是說(shuō)每個(gè)ZigBee 設備可以與另外65534 個(gè)設備相連接[2]。這些設備之間相互協(xié)調實(shí)現通信，每個(gè)設備只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)設備傳到另一個(gè)設備。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )中有三種不同類(lèi)型的設備：

        協(xié)調器：協(xié)調器負責啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò )，它是網(wǎng)絡(luò )的第一個(gè)設備。協(xié)調器選擇一個(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)調器也可以用來(lái)協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )，多跳路由和協(xié)助它自己的終端節點(diǎn)進(jìn)行通信。

        終端節點(diǎn)：終端節點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò )結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設備[3]。

    2 系統概述

        該門(mén)禁系統由電子密碼鎖、ZigBee 終端節點(diǎn)、路由器、協(xié)調器以及上位機組成。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，上位機對電子密碼鎖發(fā)送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行記錄和管理，并可對電子密碼鎖進(jìn)行控制。系統結構框圖如圖2 所示。

        系統實(shí)現功能：輸入8 位密碼，正確則打開(kāi)門(mén)鎖，并向上位機發(fā)送門(mén)鎖已打開(kāi)信息，上位機記錄開(kāi)鎖時(shí)間；若密碼錯誤，密碼鎖進(jìn)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(shí)間；若連續輸錯三次，密碼鎖進(jìn)行長(cháng)報警，并向上位機發(fā)送存在危險指令，上位機記錄時(shí)間并向管理員報警。若要修改密碼，密碼鎖會(huì )向上位機發(fā)送密碼修改請求指令，經(jīng)管理員同意后，上位機返回同意修改密碼指令，用戶(hù)方可修改密碼。上位機可實(shí)時(shí)監控密碼鎖的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當密碼鎖超過(guò)一定時(shí)間未關(guān)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(pán)輸入模塊、顯示模塊、揚聲器、開(kāi)關(guān)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(pán)輸入選用周立功公司的ZLG7290B 來(lái)管理數碼管和鍵盤(pán)，ZigBee通信模塊選用Chipcon公司的cc2430來(lái)實(shí)現相關(guān)功能。 

  3.2 硬件芯片介紹

    3.2.1 CC2430

        CC2430 是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)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(gè)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(lái)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(chǎn)品。它們在指令系統、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(diǎn)有：

    1.256×8 位內部RAM；

    2.3 個(gè)16 位定時(shí)/計數器（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；
 

    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.內部看門(mén)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發(fā)展有限公司自行設計的數碼管顯示驅動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理芯片。能夠直接驅動(dòng) 8 位共陰式數碼管（或 64 只獨立的 LED） ，同時(shí)還可以?huà)呙韫芾矶噙_ 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(pán)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有效。采用 I2C 總線(xiàn)方式，與微控制器的接口僅需兩根信號線(xiàn)。提供相應的函數庫，可通過(guò)調用函數直接實(shí)現顯示與鍵盤(pán)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(shí)現以下功能：

        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(kāi)。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(cháng)閃爍，報警10 秒，鍵盤(pán)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 結語(yǔ)

        電子密碼鎖在生活生產(chǎn)的很多部門(mén)已被廣泛使用，通過(guò)結合ZigBee 技術(shù)，電子密碼鎖不再孤立的起到防衛作用，而是更加系統化、規范化。結合通信與控制技術(shù)，數量龐大的電子密碼鎖能夠被統一進(jìn)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(shù)近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本等特點(diǎn)，這種電子密碼鎖在學(xué)校、賓館、倉庫等許多地方具有良好的推廣價(jià)值?！吨袊萍颊撐脑诰€(xiàn)》（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 胡兵，王剛）

    [參考文獻] ：
    [1] 李朝青單片機原理與接口技術(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)及其應用[J].低壓電器，2005,（7）：27-33.
    [3] 李文仲，段朝玉.ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)入門(mén)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 數據手冊[Z].鄭州：鄭州新雙恒信息技術(shù)有限公司，2005.
    [5] 萬(wàn)光毅，嚴義，邢春香.單片機實(shí)驗與實(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