电子门锁远程监控系统*

李 鸿

(湘潭医卫职业技术学院,湖南 湘潭 411102)

2017-09-05

湘潭市科技计划项目(ZJ20151022)

李 鸿(1967- )，男，湖南湘乡人，副教授，研究方向：无线传感器网络及应用。

1674- 4578(2017)05- 0058- 04

电子门锁远程监控系统*

李 鸿

(湘潭医卫职业技术学院,湖南 湘潭 411102)

对住宅小区业主入户电子门锁远程监控系统的软件设计进行研究。简要介绍了系统的组成和工作原理，制定了系统软件设计的总体方案，重点对ZigBee无线传感器网络、GPRS远程通信、云服务器和Andorid智能手机移动监控APP等软件进行了设计。通过ZigBee无线传感器网络的实时采集、GRPS远程传输、云服务器程序和客户端监控程序的交互，完成了门锁状态的数据采集和控制指令的下发，实现了业主对自家入户门锁的远程监控。

远程监控；ZigBee无线传感器网络；GPRS移动通信网络；云服务器；Andorid智能手机app

电子门锁的远程监控指的是通过运行于移动终端上的应用程序对门锁进行状态的实时监控和远程开、关控制，实现用户无论身在何处都可以査看门锁的状态，控制门锁的开、关，并且当门锁受到破坏时能够第一时间收到报警信息。本文主要针对住宅小区业主入户门锁远程监控功能实现的软件设计进行研究。

1 系统概述

1.1 系统组成

门锁远程监控系统由移动监控终端(基于Android系统的智能手机)、云服务器、GPRS/ZigBee通信传输网络和智能门锁4部分组成，如图1所示。

图1 系统总体结构框图

ZigBee/GPRS通信传输网络由小区ZigBee无线传感器网络和GPRS移动通信网络组成，充分发挥GPRS传输距离远、传输速率快的优点和ZigBee自动组网、时延短、容量大的特点。ZigBee网络采用树状型拓扑结构，网络中的终端节点(即门锁节点)、路由节点和协调器节点均采用CC2530F256作主控芯片，通过软件实现不同功能。GPRS通信网络中的GPRS模块采用华为GTM900-C无线模块，通过UART接口搭载在ZigBee网络协调器上，形成ZigBee/GPRS无线网关。网关控制芯片直接利用协调器CC2530内置增强型C8051微控制器，控制网关数据的转换。

1.2 系统功能

ZigBee无线传感节点采集电子门锁状态信息、接收安防报警信号，进行采样分析与处理，并将得到的数据通过GPRS网络上传到中国移动物联网云平台(One Net)，One Net平台对接收到的数据进行处理和存储。用户通过移动监控终端登录One Net平台进行访问，查询门锁状态或发送控制信息，终端节点根据得到的指令发脉冲给门锁电机驱动电路，控制步进电机的旋转，实现用户对门锁的远程开关控制。

2 系统软件设计

系统的软件是建立在硬件的基础上的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。软件设计的首要任务是按照功能和结构把软件分成独立的模块，分别加以实现，最后通过接口函数把各部分连接起来。系统软件设计包括ZigBee无线传感器网络软件、GPRS模块通信传输软件、云服务器和移动监控平台(Andorid智能手机APP)软件设计。

2.1 ZigBee无线传感器网络软件设计

ZigBee无线传感器网络是门锁监控系统的底层部分，主要实现底层网络数据的无线传输。一个完整的ZigBee网络主要通过协调器初始化一个网络和路由器或终端加入网络来完成，其软件设计主要是以CC2530为核心的ZigBee节点的协议栈及应用程序的编写，包括协调器节点组建ZigBee网络，路由节点完成数据包的转发，终端节点驱动相应的传感器进行门锁状态信息的采集，实现对门锁开与关的控制等。

本系统ZigBee无线传感器网络程序设计基于IAR Embeded Workbench Evaluation for 8051 8.10.1软件平台，采用TI公司设计的Z-Stack-CC2530-2.5.1a协议栈进行开发。IAR EW内部设置有针对CC2530芯片的ZigBee软件架构，集成了编译和调试功能，同时支持C/C++编程，提供良好的代码编写环境，是易使用的专业嵌入式应用开发工具。

2.1.1 协调器组网程序设计

组建一个新的ZigBee网络首先由应用层发出网络组建请求，由网络层向MAC层发出信道能量检测、信道扫描等请求并返回数据包。协调器组网程序的设计主要包括对模块功能类型的设置、信道扫描、ID的设置、建立网络，准许接入点加入网络并分配地址，数据的接收和发送。协调器组网流程如图2所示。

2.1.2 门锁节点程序设计

门锁节点主要由门锁状态数据采集传感器、人体红外感应模块、门锁防撬开关及ZigBee模块CC2530组成，CC2530内含微控制器(MCU)，微控制器执行远程控制指令，门锁电机驱动模块L9110两个输出引脚输出高低电平控制电机正转、反转与停转，实现对智能门锁开与关的控制；或者控制传感器采集门锁状态数据，接收并处理数据发送到协调器。

门锁节点软件设计流程如图3所示。传感节点ZigBee模块上电后首先对模块硬件及其外围传感模块、ZigBee协议栈进行初始化，入网后与ZigBee/GPRS网关进行绑定。当接收到来自网关的指令时，解析指令内容，判断是控制指令还是查询指令。若为查询指令则调用传感检测子程序，采集门锁状态数据，无线发送给网关；如果是控制指令，则控制门锁的打开或者关闭。另外，传感节点定期采集门锁状态数据并主动上报，而对于异常状态数据，及时向ZigBee/GPRS网关上报并经云服务器远程报警。

图2 协调器组网流程

图3 终端设备节点工作流程图

2.2 ZigBee-GPRS网关软件设计

ZigBee-GPRS网关由ZigBee网络中的协调器模块和GPRS远程通信模块组成，GPRS模块通过UART接口搭载在ZigBee网络协调器上，负责ZigBee网络和GPRS网络协议转换，上、下行数据传输，数据处理和管理控制等功能。ZigBee-GPRS网关软件设计主要包括协调器CC2530对GPRS模块GTM900C的控制及协调器模块与GPRS模块间的数据交换，实现ZigBee协调器与云端服务器之间的基于TCP/IP协议的远程数据通信。

系统上电后，协调器CC2530中MCU通过串口UART0对GTM900C发送AT命令初始化GPRS无线通信模块,设置工作模式、通信波特率、接入网关，激活GPRS功能，使之附着在GPRS网络上,获得网络运营商动态分配的IP地址，建立与远程服务器之间的连接和信息的传输。主要设置步骤如：1) 进行CC2530与GTM900C之间串口通信检测，检查串口通信是否顺畅，对应的命令为”AT ”;2) 设置通讯波特率，使用“AT+IPR=9600 ”命令设置波特率为9 600 bps;3) 设置接入网关，使用“AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，设置为使用TCP/IP包发送数据并应用中国移动的网络;4) 测试是否开通，使用“AT+CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回OK，则GPRS连接成功;如果返回ERROR，则表示GPRS连接失败;5) 与远程服务器建立TCP连接;使用“AT+CIPSTART=“TCP”,“183.230.40.33”,“80”命令建立TCP连接，“TCP”为连接方式，“183.230.40.33”为云服务器的IP地址，“80”为端口号。建立TCP连接后，即可实现协调器节点与远程服务器的数据传输。

2.3 服务器端软件开发

服务器是整个门锁控制系统的大脑，为系统提供稳定、可靠、弹性、安全的服务。本系统服务器租用中国移动物联网云平台(One Net),主要完成接收、存储、处理及共享来自GPRS模块传来的数据，实时控制系统的运行状态，提供数据供第三方软件访问。服务器端软件主要包括数据库系统、数据的传输、接收与存储。

2.3.1 数据库设计

数据库系统基于MySQL开发平台、采用图形客户程序(MySQL Work-Bench)的方法进行开发，设计的主要功能有用户登录与授权管理、用户信息管理、门锁状态数据管理等。

MySQL数据库中设计的数据表主要有用户信息表user_info，用户登录信息表use_login_info，门锁状态信息表node_info。user_info和use_login_info表用来存储系统中注册用户的信息，当用户登录到系统的登录页面时，系统会要求输入账号和密码，node_info表用来存储系统底层传感网络采集到的门锁状态数据，通过此表的数据存储，用户可以在系统的web和手机客户端平台查看系统采集的实时数据、查询历史数据等。

2.3.2 数据的传输、接收与存储

系统采用基于Java的TCP Socket实现服务器端接收门锁状态数据，通过JDBC(Java Data Base Connectivity,Java数据库连接)驱动连接MySQL数据库实现数据存储。

云服务器一方面绑定GPRS模块端口，监听信息，在收到传输请求后建立连接，GPRS模块向服务器发送数据，服务器接收并保存数据到相应的数据库；另一方面，等待接收远程监控终端的连接请求，当有远程终端连接请求时，接收、分析请求信息，解析出请求的方法、URL目标、可选的查询信息及表单信息等，同时根据请求做出相应处理，向客户端浏览器发送响应信息，关闭TCP连接，实现GPRS模块与互联网的传输数据功能以及报文的显示功能。服务器端的工作流程如图4所示。

2.4 远程用户监控终端应用软件的设计

用户远程移动监控终端采用运行Android操作系统的智能手机，终端应用软件即手机客户端软件，又称手机APP。该APP包含用户登录、门锁状态查询、开启执行装置实时控制门锁开与关，陌生人靠近红外报警和门锁受损报警等多个功能模块。用户借助该手机APP登录注册后，接入远端云服务器，获取云端处理后的数据，享受云端提供的服务。

系统APP开发平台选择Android平台，开发语言为Java，利用自身数据库SQLite实现数据存储，利用SOCKET完成网络通信。Android APP设计开发流程如图5所示。在eclipse环境中，菜单栏选择“file>new>project”，点击Android project,就会打开新建Android项目的对话窗口。首先要创建一个登陆界面，对用户进行验证，验证成功后，进入到主监控界面。Android平台上用户界面都是通过“ViewGroup”或“View”类来显示,是用户界面的最基本表达单元，程序可直接调用。将屏幕上的界面元素，与构成程序主体的程序逻辑混合一起编写。本系统的应用程序界面只需三页：登录页面、显示智能锁状态信息和报警信息以及智能锁开关控制。

图4 服务器端工作流程

图5 Android APP设计开发流程图

3 结语

本文将ZigBee技术、GPRS技术、云服务及远程终端控制技术应用于智能门锁远程监控系统中，实现了用户入户门锁的远程实时监测、异常告警、远程控制等功能。系统实际运行可靠、稳定，控制灵活方便、扩展性强,极大地提高了家庭安防系数，方便了用户门锁管理，具有很好的实用价值。

[1] 袁佳,焦志曼,余建波,等.基于远程分布式灯光控制系统.计算机工程与设计,2015，36(1):108-114.

程龙,蒋永平.ZigBee无线局域网与Internet的接入设计.信息技术,2015(1):73-76.

冯泽,蒙雪敏.基于GPRS和ZigBee的嵌入式智能家居系统研究.轻工科技，2014(8):91-93.

陈克涛,张海辉,张永猛,等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计.西北农林科技大学学报(自然科学版)2014,42(5):183-188.

张开洪,李聪,张文会.基于ZgBee和GPRS的嵌入式桥梁健康监测系统.重庆交通大学学报(自然科学版),2012,31(6):1116-1120.

陈琦,韩冰,秦伟俊,等.基于ZigBee/GPRS物联网网关系统的设计与实现.计算机研究与发展,2011(48)：367-372.

钱建波,于正永.基于ZigBee-GPPS的现代水产养殖系统的设计.信息技术,2016(7):53-57.

RemoteControlSystemofElectronicLock

Li Hong

(XiangtanMedicine&HealthVocationalCollege,XiangtanHunan411102,China)

The software design of electronic door locks remote monitoring system for house owner in residential quarters is studied in this paper. The composition and working principle of the system are introduced briefly, and the overall design of the system software is worked out. It focuses on the software design of ZigBee wireless sensor network, GPRS remote communication, cloud server and Andorid smart phone and mobile monitoring app. The data acquisition of the lock state and the down of control instruction are completed, and remote monitoring for owners door locks is achieved by real-time acquisition of ZigBee wireless sensor network, GRPS remote transmission, cloud server program and interaction of client monitor.

remote control; ZigBee wireless sensor network; GPRS network; cloud server; Andorid app

TP273.5

A