基于Zigbee技術的無線門禁控制系統設計

張慧穎　錢同云　馬淑華

摘要：針對目前無線門禁系統無線化、智能化的特點，設計了一種基于Zigbee無線通信技術的無線門禁控制系統，實現對電廠高壓控制柜的門禁系統的智能管理。為了較好的避免無線網絡在應用中的缺陷，系統在設計中采用了無線和有線相結合的方式。該系統成本低、安全性好，易擴展，具有較好的應用前景。

關鍵詞：門禁 Zigbee 無線

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0026-01

1 引言

門禁系統是智能控制領域研究內容之一，具有很高的實用價值和應用前景。隨著科技的進步，門禁控制系統發展越來越迅速，功能也逐步完善。門禁系統從機械鎖發展到電子門禁，從單一的門禁控制系統發展到智能化、無線化的門禁系統，普通門鎖和人工管理早已不能滿足智能化的需要。尤其是擁有上百個電氣控制柜的大型電廠及變電所，人工管理更容易造成管理上的困難，因此，采用現代智能化門禁技術不僅實現了可靠、安全、方便實用的特點，更重要的是節省了人力和時間，具有重要的意義[1]。

2 系統總體構成

電廠高壓控制柜的門禁系統主要采用Zigbee技術和CAN總線技術相結合的方式實現無線智能化管理。一套完整的門禁系統主要由Zigbee無線網絡、控制器、電鎖控制器、傳感電路、上位機數據庫管理和CAN總線等基本部分構成。無線網絡由充當調節器的基站節點和具有路由功能并配有傳感器的終端節點組成。系統組成框圖如圖1所示。

本系統的工作原理如下：當電廠的需要檢索線路時，管理員預先將授權信息下載到主控板的存儲器中，終端節點將采集到的卡號信息通過Zigbee網絡送入到主控器中，將卡號與存儲器中的卡號進行對比，若卡號有效，則門鎖打開，技術人員對被授權的控制柜進行操作。若存儲器中確實沒有此卡號的授權信息，就會請求管理系統進行數據更新，如果確實無效，則無法打開電鎖[2]。

3 硬件電路設計

系統硬件電路主要由CC2530構成的傳感節點、協調器節點、基于ARM構架的主控制器和CAN總線的通信電路組成。電柜號的采集和發送由終端節點完成；協調器節點負責無線網絡的組建和信息的匯聚，又稱為匯聚節點；CAN總線與上位機相連，實現上位機和協調器節點的數據相互傳送。

3.1 Zigbee無線通信模塊

Zigbee網絡的組建選取美國TI公司CC2530實現。該芯片兼容2.4GHz、IEEE802.15.4協議和ZigBee技術的片上技術，具有增強型8051微控制器內核的無線微型控制器，擁有128KB的系統內可編程閃存和8KBRAM，CC2530搭載傳感器構成的路由節點，完成信息的采集及無線傳輸。Zigee無線網絡的建立和協調是通過協調器節點實現的，同時協調器節點可將采集到的數據通過網關上傳到監控中心進行分析與管理。協調器節點和路由節點的結構是一致的，協調器節點不需要進行信息的采集故無需外加傳感器模塊。為了增加無線覆蓋范圍滿足電廠需求，可以在射頻前端增加CC2591功率放大，將Zigbee網絡覆蓋范圍從傳統的75m擴展到1Km以上[3][4]。電路如圖2所示。

3.2 ARM主控制器設計

主控制器主要由Zigbee協調器節點、ARM中央處理器、CAN總線模塊構成。中央處理器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運行速度快可以更好的滿足系統實時控制的需求。內部集成3個串口，配有SD卡控制器，兩路全速USB主設備芯片，可以方便進行外圍設備擴展。主控制器的外圍由電源模塊、時鐘電路、存儲電路、CC2530路由節點、鍵盤電路及CAN總線電路。ARM主控器電路如圖3所示。

3.3 CAN總線電路設計

協調器節點與上位機相連時，采用CAN總線實現彌補無線網絡的缺點。本系統采用TI公司生產的ARM架構CORTEX-M3系列的LM3S9B92實現CAN總線設計。片內資源豐富，自帶了以太網控制器，遵循“IEEE 802.3”規范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準。系統采用自帶的CAN總線收發器TJA1050實現CAN協議完成與外網和內網的通信功能[5]。

4 軟件設計

門禁控制系統軟件由上位機子程序和中央控制器程序兩大部分構成。設計程序時，采用模塊化編程思想便于后續的改動及移植。程序編寫在ARM平臺下完成，采用C語言進行編寫與調試。軟件程序包括Zigbee無線數據收發、CAN總線模塊子程序、下位機與上位機通信子程序以及上位機處理軟件程序。在Zigbee無線數據收發過程中，主要包括路由節點子程序、協調器節點子程序和終端節點子程序構成。無線數據收發程序采用CC2530兼容的協議棧Zstack2007的平臺下設計應用程序；用戶軟件系統主要實現門禁設備的查找并建立連接，通過多次對比，確保認證的準確性。系統主機軟件流程首先初始化，然后鍵盤接口掃描系統鍵盤操作，并完成Zigbee通信模塊的連接，上位機發送需要打開的門禁序號，傳遞到中央處理單元；檢測終端將采集到的門禁序號通過無線網絡送入中央處理單元，進行對比比較，若對則建立連接，發送門禁開啟指令。否則，不予開啟門禁。

5 結語

本系統采用Zigbee技術和CAN總線技術相結合的方式設計電廠電柜的門禁控制系統，極大的提高了電廠對電柜控制的效率和安全性。通過測試，該設計方案具有較好的實時性和準確性，達到預期的設計目的。

參考文獻

[1]張永宏，曹健，王麗華.基于51單片機與nRF24L01無線門禁控制系統設計[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2103，27（1）：64-68.

[2]劉偉，李晶.高壓母線控制柜無線門禁硬件系統的研制[J].吉林化工學院學報，2014，31（9）：58-60.

[3]吳世通.基于ZigBce技術的無線門禁系統[D].蘇州大學，2013.

[4]馮英偉，王慶福，王啟元.基于ZigBee技術智能家居系統的研究[J].河北建筑工程學院學報，2015（1）：90-92.

[5]吳桂清，張欣萍，羅鸝等.基于STM32F207與CAN總線的車載監測系統設計[J].電源技術，2015，39（02）：407-409.