基于ZigBee的無線門禁系統電子密碼鎖設計
文章出處：http://hz-huyue.com 作者：胡兵，王剛 人氣： 發表時間：2011年07月12日
隨著社會物質財富的增加，各種盜竊案件頻繁發生，防盜日漸成為人們日常生活所關心的問題。門鎖自古以來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，長久以來，機械鎖被人們廣泛使用，在防盜方面發揮了重要的作用。
然而機械鎖僅僅是單純的機械裝置，無論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能通過各種手段把它打開。此外隨著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鎖已經無法起到可靠的防盜作用，必須將樓宇內的門鎖進行集中管理，于是一個安全可靠便于統一管理的門禁系統成為人們研究的重點。
門禁系統是新型現代化公共安全管理系統，它集微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體，設計電子、機械、光學、計算機技術、通信技術和生物技術等諸多新技術，是重要部門出入口實現安全防范管理的有效保障。隨著無線傳感網絡技術的發展，應用ZigBee 技術使得門禁系統的實現變得更加簡單有效。
現有的門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，無須攜帶卡片；設計簡單；成本低等優點[1]。
門禁系統允許終端管理員對樓宇內的所有門鎖進行監控，當門鎖出現安全隱患時，管理人員可及時調度保安人員進行防護，當樓宇內出現火災等事故時，管理員可及時打開相應的安全通道門鎖，對人員進行疏撒。電子密碼鎖門禁系統可廣泛應用于辦公樓、學校、賓館等部門。
1 ZigBee 協議
ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線傳感器網絡技術。ZigBee 技術并不是完全獨有、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 聯盟制定了應用會聚層、應用層規范（API）和網絡層，組成了Zigbee 協議標準[1]. 整個協議架構如圖1 所示。
ZigBee 網絡具有星型、樹型、網狀三種組網方式，每個ZigBee 網絡最多可支持65535個設備，也就是說每個ZigBee 設備可以與另外65534 個設備相連接[2]。這些設備之間相互協調實現通信，每個設備只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個設備傳到另一個設備。每個網絡節點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 網絡中有三種不同類型的設備：
協調器：協調器負責啟動和配置網絡，它是網絡的第一個設備。協調器選擇一個信道和一個網絡ID，隨后啟動整個網絡。協調器也可以用來協助建立網絡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絡，多跳路由和協助它自己的終端節點進行通信。
終端節點：終端節點沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設備[3]。
2 系統概述
該門禁系統由電子密碼鎖、ZigBee 終端節點、路由器、協調器以及上位機組成。電子密碼鎖通過ZigBee 網絡將實時的狀態發送給上位機，上位機對電子密碼鎖發送過來的數據進行記錄和管理，并可對電子密碼鎖進行控制。系統結構框圖如圖2 所示。
系統實現功能：輸入8 位密碼，正確則打開門鎖，并向上位機發送門鎖已打開信息，上位機記錄開鎖時間；若密碼錯誤，密碼鎖進行短報警，并向上位機發送密碼輸入錯誤信息，上位機記錄密碼輸入錯誤時間；若連續輸錯三次，密碼鎖進行長報警，并向上位機發送存在危險指令，上位機記錄時間并向管理員報警。若要修改密碼，密碼鎖會向上位機發送密碼修改請求指令，經管理員同意后，上位機返回同意修改密碼指令，用戶方可修改密碼。上位機可實時監控密碼鎖的開關狀態，當密碼鎖超過一定時間未關閉，上位機將向管理員發出警報。
3 硬件設計
3.1 硬件結構框圖
硬件電路由單片機、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、揚聲器、開關鎖機構以及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，顯示模塊與鍵盤輸入選用周立功公司的ZLG7290B 來管理數碼管和鍵盤，ZigBee通信模塊選用Chipcon公司的cc2430來實現相關功能。
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。它結合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的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 來優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]。它的主要特點有：
1.256×8 位內部RAM；
2.3 個16 位定時/計數器（T0、T1、T2）；
3.1 個全雙工、可編程串行通信口（UART）；
4．6 個中斷源，2 個優先級；
5.4 個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，工作頻率為0～33MHz；
8.3（1±0.1）V 供電時，工作頻率為0～12MHz；
9.內部看門狗定時器（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展有限公司自行設計的數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片。能夠直接驅動 8 位共陰式數碼管（或 64 只獨立的 LED） ，同時還可以掃描管理多達 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 總線方式，與微控制器的接口僅需兩根信號線。提供相應的函數庫，可通過調用函數直接實現顯示與鍵盤輸入相應功能。該芯片為工業級芯片，抗干擾能力強，在工業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。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”，紅燈長閃爍，報警10 秒，鍵盤輸入被鎖，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，均向管理員發送密碼鎖狀態。
5.在開鎖狀態下，輸入要重置的密碼，按下重置密碼鍵，密碼鎖向管理員發送修改密碼請求，如果管理員同意修改，屏幕閃爍，密碼修改完畢。
6.在開鎖狀態下，按下關鎖鍵，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
電子密碼鎖在生活生產的很多部門已被廣泛使用，通過結合ZigBee 技術，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，數量龐大的電子密碼鎖能夠被統一進行管理，這使得電子密碼鎖的安全系數得到大幅度提高。
鑒于ZigBee技術近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本等特點，這種電子密碼鎖在學校、賓館、倉庫等許多地方具有良好的推廣價值?！吨袊萍颊撐脑诰€》（中國礦業大學信息與電氣工程學院 胡兵，王剛）
[參考文獻] ：
[1] 李朝青單片機原理與接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，2003.
[2] 江修波.ZigBee 技術及其應用[J].低壓電器，2005,（7）：27-33.
[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee 無線網絡技術入門與實踐[M].北京：航天航空大學出版社，2007.
[4] 鄭州新雙恒信息技術有限公司.CC2430 數據手冊[Z].鄭州：鄭州新雙恒信息技術有限公司，2005.
[5] 萬光毅，嚴義，邢春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航天航空大學出版社，2006.
[6] 廣州周立功單片機發展有限公司.ZLG7290工作手冊[Z].廣州：廣州周立功單片機發展有限公司，2006
