基于ZigBee技術的無線智能鎖系統設計

蔡昌勇+蒲虹橋+朱靜

摘要：隨著人們對財物的保管意識的增強，許多銀行金融機構增加了保險柜租賃服務，提供給客戶保管貴重物品。該文討論的智能鎖系統采用基于ZigBee技術的無線通信方式，可以對柜門的開關操作進行遠程控制，實時監控柜門開關狀態，并且在非法開啟時能夠發出聲光報警，確保了保險柜的安全。

關鍵詞：ZigBee；實時監控；節能

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0266-03

Abstract： Many banks and financial institutions provide leasing services for customers to keep their valuables with the increasing awareness of the preservation of property. This paper discussed the lock system Based on ZigBee which is of excellent security， it controls and monitors the on-off state of the safe door remotely， and it has sound-light alarming devices when illegally opened.

Key words： ZigBee； Real-Time Monitoring； Power saving mode

1 概述

近年來，隨著生活水平的日益提高，人們對財物的保管意識越來越強，多數銀行提供了保險柜租賃服務，很多人會將黃金，古玩、字畫等收藏品存入銀行的保險柜，一些保密機構和單位也會將印章，絕密資料等重要物件放入保險柜保管。目前，大多數銀行沿用的是鑰匙開啟的方式來管理保險柜，用戶在開啟保險柜時需要使用對應的鑰匙，然而存在一個問題，一旦客戶鑰匙丟失，需要大量的時間來掛失和補辦鑰匙，也有可能在掛失之前被他人拾取而丟失財物。

少數銀行在保險柜管理上采用了密碼鎖、指紋識別等現代開啟技術，但隨著技術的發展，近年來銀行盜竊案例也頻頻發生，本文研發了一種基于ZigBee技術的遠程管理系統，能夠有效地改善和提高保險箱的安全性。

2 ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE 無線個人區域網PAN（PersonalAreaNetwork）組的一項標準，被稱為 IEEE802.15.4 技術標準。但IEEE僅處理低級MAC層和PHY層協議，因此ZigBee聯盟擴展了IEEE，對其NWK層協議和API進行了標準化，開發了網絡/安全層，確保了數據傳輸的可靠性，其協議層結構如圖1所示。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段，在這幾個頻段上進行信號傳播時損耗較小，可降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的通信距離，即可用較少的設備覆蓋較大的區域。ZigBee最高傳輸數據率達到250kbit/x，直線傳輸距離可達100米，如果增加功率放大器，其傳輸距離可覆蓋幾百米甚至幾公里。

作為一種短距離、低功耗、低數據傳輸速率的無線網絡技術，ZigBee技術是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，在傳感器網絡等領域應用非常廣泛，這得益于它強大的組網能力，可以形成星型、簇狀型和網狀型三種ZigBee網絡，如圖2所示。

在ZigBee網絡結構中，按功能可以將節點分為三類，分別是：協調器（Coordinator），路由器（Router）和終端（End-device）。協調器是整個網絡的組織者和管理者，它負責建立、配置和維護整個網絡。路由器主要負責路由發現、允許其他節點通過它接入到網絡并且實現節點間數據包的轉發功能。終端節點通過協調器或者路由器接入到網絡中，主要負責數據采集和傳輸功能，但不允許其他節點通過它加入到網絡中。ZigBee終端節點是具體執行的數據采集傳輸的設備，他不能轉發其他節點的消息。

星型結構是最簡單的拓撲結構，它不支持路由器節點，終端節點只能與協調器進行通信，因此具有結構簡單，組網方便，數據延遲小等特點。

簇狀型結構包括一個協調器，多個路由器和終端節點。協調器可以連接一系列的路由器和終端設備，其子節點路由器的子節點也可以是一系列的路由器和終端設備，而終端節點不能有子節點，由此可以重復多個層級來構成網絡。在簇型網絡中，節點只能與其父節點或子節點進行通信。

網型結構由一個協調器和多個路由器、終端節點構成。與簇狀結構不同的是路由節點之間可以直接通信，因此，路由較靈活，即使某條路徑出現問題，也可以通過其他路徑進行信息傳輸。

終端節點是整個網絡結構中最為簡單的環節。在系統運行過程中，能夠接收到來自主節點的信息。由于其不需要與鄰近節點協調，并兼具路由功能，故能夠賦予系統更強的性能。同時當系統處于休眠狀態時，其每個終端節點處于低功耗狀態，能夠節省大量電能，降低系統運行成本。

3 系統設計

3.1 系統實現功能

通過對zigBee協議和銀行保險柜管理系統的研究，本文所設計的系統功能主要進行保險柜門鎖開關操作的遠程控制以及開關日志信息的傳輸。

集中控制設備通過TCP/IP協議和無線控制基站通信，無線控制基站通過ZigBee協議和無線鎖通信。

3.1.1 系統介紹

如圖3所示，該系統通訊網絡由三部分組成：系統控制中心，無線基站和保險柜門鎖。

系統控制中心與無線基站之間使用TCP/IP協議進行數據傳輸，無線基站與保險柜門鎖之間采用ZigBee無線通信技術，實現門鎖的無線組網，由于門鎖之間不需要信息交流，每一個門鎖都直接與無線基站進行數據交互，因此，在無線網絡中，采用了星型拓撲結構。endprint

系統工作時，門鎖與基站進行無線通信，無線基站與控制中心通過有線以太局域網進行數據交換，從而實現對門鎖的控制與狀態監測。

為了降低鎖具安裝成本及難度，鎖具采用電池供電，在系統運行過程中，門鎖節點定時喚醒接收來自基站的信息。當系統處于休眠狀態時，每個門鎖節點處于低功耗狀態，延長電池使用壽命。

3.1.2 實現功能

控制中心通過無線基站能夠與各保險柜門鎖節點實現雙向通信，控制中心可以查詢終端節點狀態，下達命令和傳輸數據，無線門鎖也可上傳數據。具體實現功能如下：

（1） 遠程控制：控制中心能遠程控制門鎖的開啟和關閉。

（2） 數據操作：控制中心可以對門鎖進行無線下載日志、同步時間等數據操作。

（3） 門鎖上報數據：門鎖在開關門時會向控制中心發送記錄（開關門時間），以實現對柜門狀態進行實時監控。

（4） 狀態查詢：控制中心能查詢門鎖的電池狀態、開關狀態。

（5） 同步門鎖時間：電腦通過無線基站能查詢門鎖的時間，然后可以通過電腦同步門鎖的時間，保證日志記錄的正確性。

3.1.3 系統特點

（1） 無線組網：

無線通信技術成熟穩定，并具有低功耗、安全、網絡容量大等特點。無需布線，降低施工成本。

（2） 實時監控：

電腦能實時監控門鎖的開關狀態和門鎖的電池狀態，方便門鎖的管理和更換電池。且安全性得到保障。

（3） 通信安全：

支持無線傳輸國際標準的安全套件，無線傳輸的數據采用AES-128先進的加密算法，為無線通信提供安全保障。

（4） 功耗低：

系統硬件均選用低功耗元器件，在沒有數據傳輸時系統處于休眠狀態，因此產品功耗低，高能電池可工作24個月。

（5） 即裝即用：

產品采用堿性干電池供電，不需任何連接線，安裝方便，即裝即用。

3.2 終端門鎖硬件設計

3.2.1 系統框圖

系統框圖如圖4所示，門鎖系統由電源模塊、ZigBee模塊、控制器、存儲模塊、電機模塊、實時時鐘模塊、霍爾模塊構成。MCU接收來自ZigBee的信息并對接收到的信息進行分析，生成對其他模塊的控制命令或進行數據傳遞。

3.2.2 工作原理

門鎖上電后，系統通過ZigBee模塊發起組網申請，控制中心收到通過無線基站中轉的申請后，更新在線門鎖節點信息并完成時間同步。門鎖注冊成功后，控制中心可以通過指令查詢門鎖電池狀態、開關門日志、實現遠程開門等操作。

門鎖平時處于睡眠狀態，以降低系統功耗，ZigBee模塊定時喚醒以便查詢是否有無線數據需要接收，如收到與自身ID匹配的數據包，則喚醒MCU執行相應操作，否則丟棄當前數據，并重新進入睡眠狀態。要執行開門操作時，控制中心通過無線基站發送門鎖ID和開鎖指令，ZigBee模塊收到數據后，喚醒MCU進行指令解析，并執行開鎖命令，同時將開鎖命令與當前時間一起存入EEPROM，并聲光報警，提示用戶門鎖已開啟。當用戶拉開柜門時，門鎖上的霍爾傳感器輸出高電平，MCU檢測到此信號后隨即發送本機ID加開門狀態數據到控制中心，并保存日志，如果長時間無開門動作，門鎖將自動上鎖并上傳上鎖日志，同時將日志寫入EEPROM。

對柜門進行開關操作時，MCU將時間信息保存在存儲器內，并主動將日志通過無線基站上傳PC機。MCU接收到開關門請求信號時，將請求信息上傳PC機，PC機同意后將通過無線基站授權MCU驅動電機實現對柜門的開關操作。當無開關操作請求時，系統處于休眠狀態，MCU會對門鎖喚醒進行定時查詢，當霍爾傳感器檢測到門鎖處于異常開啟狀態時，系統將啟動聲光報警，同時將異常信號上傳MCU，MCU將信息及時反饋至PC，并將時間日志記錄到存儲器中。

系統選用MSP430系列單片機作為微控制器，MSP430系列單片機是16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的內核指令以及大量的模擬指令，內部寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令。該系列單片機具有數據處理能力強，運算速度快，功耗低等特點，滿足電池提供系統對功耗的要求。

3.3 軟件設計

該系統使用IAR Embedded Workbench的C/C++作為開發工具進行程序設計，該編譯器所編寫的代碼緊湊，節省硬件資源，在軟件設計時可以最大限度降低產品成本。

通過軟件設計，該系統實現了低功耗工作模式。

如圖5所示，門鎖上電后門鎖通過ZigBee發出組網申請，組網成功后若沒有其他操作需求時通過定時器定時自動進入睡眠模式。

程序對安全智能鎖主要耗電部分如MCU，ZigBee模塊等進行控制，使其在空閑狀態時自動進入低功耗休眠模式，當需要進行日志上傳（如圖6所示）或者數據接收（如圖7所示）時，將進入中斷程序處理相應的任務，終端程序結束后再次進入低功耗休眠，由于添加了低功耗休眠，系統整體功耗將大大降低。

4 結束語

本文設計的基于ZigBee技術的無線智能鎖系統具有安全系數高、功耗低、網絡容量大、安裝方便等優點，已完成實物的制作與調試，實驗驗證能夠完成預定的功能，具有很強的實用性。

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