基于ZigBee技术的智能门锁系统设计

陈剑栋 张林 彭国文

摘  要：随着智能门锁的广泛应用，用户对于其安全可靠性和高效便捷性等方面提出了新的要求，本文通过使用ZigBee无线技术，实现了智能门锁的联网系统，使智能门锁能实现集中监控和管理。本系统适用于酒店公寓、宿舍等需要对智能门锁进行集中管理的场所。

关键词：物联网;智能门锁系统;集中监控;ZigBee无线技术

中图分类号：TP273.5;TN92     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0169-03

Intelligent Door Lock System Design Based on ZigBee Technology

CHEN Jiandong1，ZHANG Lin1，PENG Guowen2

（1.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China;

2.Guangzhou Ligong Science and Technology Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：With the wide application of intelligent door locks，new requirements are put forward for safety，reliability，efficiency and convenience，and so on. In this paper，ZigBee wireless technology is used to realize the network system of intelligent door locks，so that intelligent door locks can realize centralized monitoring and management. This system is especially suitable for hotel apartments，dormitories and other intelligent door locks that need centralized management.

Keywords：internet of things;intelligent door lock system;centralized monitoring;ZigBee wireless technology

0  引  言

隨着电子技术的发展，RF智能卡技术在门禁系统、金融支付等领域得到了广泛的应用。RF智能卡门锁具有加密强度大、不易被复制、防伪性好、可靠性高、使用便捷等优点，RF智能卡门锁有逐渐取代传统机械钥匙门锁的趋势。随着物联网的发展，使用各种无线技术把智能门锁进行联网，给酒店公寓、宿舍等需要对智能门锁进行集中监控和管理的场合提供了极大的便利。本文通过使用ZigBee无线技术，进行了对RF智能卡门锁的集中监控和管理系统的设计。

1  系统概述

1.1  系统组成

智能门锁系统主要分为3部分：终端门锁、无线网关和服务平台软件。终端门锁使用ZigBee无线通信把各种刷卡信息通过无线网关上报到服务平台软件，系统管理员使用服务平台软件通过无线网关把开锁白名单下发到终端门锁或执行远程开锁等操作。无线网关设计为同时支持4通道的ZigBee无线网络，即一个无线网关可同时支持4个不同信道的终端门锁接入，大大提高了终端门锁的接入容量。系统组成如图1所示。

1.2  系统的主要功能

智能门锁系统包括如下功能：（1）终端门锁根据存储的开锁白名单，只允许白名单的智能卡开锁，非授权卡用户不能开锁;（2）终端门锁向服务平台上报刷卡流水信息;（3）系统管理员通过服务平台下发授权终端门锁的开锁白名单;（4）系统管理员通过服务平台执行远程开锁;（5）服务平台提供查看各门锁的刷卡流水信息和非授权卡的刷卡信息。

1.3  系统工作方式

终端门锁具有地址和信道两组拨码开关，终端门锁在安装前先通过拨码开关设置门锁的地址和使用的通信信道。终端门锁上电后，门锁先向服务平台发送请求校时命令，校时成功后，门锁进入休眠模式。门锁设置RF读卡模块定时1秒唤醒一次，进行低功耗寻卡，用于识别用户刷卡开门行为，当检测到开锁白名单里的智能卡时，控制开锁机构执行开锁，并把当前这条开锁信息和时间戳保存到存储器里。

终端门锁在上报校时命令给服务平台软件时，服务平台根据管理的门锁数量、门锁的地址、门锁的无线唤醒周期等给每个终端门锁分配一个独立的无线传输时间片，让每个终端门锁在上报唤醒报文和刷卡流水等信息时达到分时复用的效果，避免多个终端门锁同时上报数据造成无线信号的冲突。根据工程经验，系统给终端门锁设置的唤醒周期为5秒，即门锁会根据分配的时间片定时5秒被唤醒一次，门锁唤醒后如果有刷卡流水信息则上报流水信息给服务平台，否则就上报唤醒报文，服务平台接收到刷卡流水信息或唤醒报文后，给门锁回复应答信息，回复的应答信息里可包含给门锁下发的开锁白名单和远程开锁指令。

无线网关是连接终端门锁和服务平台的桥梁，负责把无线数据报文转换成以太网数据报文。为使信号能覆盖得更广，本系统采用多个无线网关同时部署重叠覆盖的方式，在终端门锁上报数据时，在信号覆盖范围内的无线网关能同时收到同一个终端门锁的数据报文，无线网关对门锁数据报文经过协议转换后，并把无线网关接收终端门锁的无线信号强度附带到数据报文里并转发到服务平台，服务平台在从多个无线网关接收到相同的数据报文时，根据每个相同报文附带的信号强度，选择信号强度最好的无线网关给终端门锁进行回复。采用这种多个无线网关同时覆盖部署的方式，使现场施工调试难度降低，而且当后期如果信号受到干扰导致网关覆盖范围变小时，可随时增加无线网关的部署，而无须改变整个系统结构。

2  系统设计

2.1  终端门锁的设计

2.1.1  终端门锁硬件设计

终端门锁的硬件构成包括微控制器MCU、门锁执行机构、RF读卡模块、ZigBee无线模块等，终端门锁设计框图如图2所示。

终端门锁的微控制器采用飞思卡尔的Cortex-M0+处理器MKL26Z128，该处理器内置有RTC（实时时钟），当处理器以能通过RTC唤醒的LLS模式工作时的功耗约为1.98μA，能满足终端门锁利用RTC实时时钟实现分时复用的功能，并且休眠电流很小，降低了整个终端门锁的功耗。

读卡器模块芯片采用中科微的超低功耗13.56M芯片SI522，该读卡器模块支持ISO/IEC 14443 A/MIFARE标准，模块内部集成低功耗自动寻卡与定时唤醒功能，寻卡过程无需MCU操作，寻卡成功通过中断唤醒MCU。

ZigBee模块芯片采用NXP的JN5161芯片，该模块在深度休眠模式下功耗极低，约为209nA，发射功率为2.5dBm。

存储器采用一片2M的SPI Flash用于存储门锁的开锁白名单及未上报的刷卡流水信息。SPI Flash的电源使用MOS管控制，当SPI Flash不需要操作时，MCU通过控制MOS管关闭Flash的电源，从而降低系统的整体功耗。

2.1.2  终端门锁软件设计

门锁与服务平台软件间的交互协议包括：RTC校时、刷卡流水上报、唤醒报文上报、开锁白名单下发、远程开锁等命令帧，各命令帧的流向图如图3所示。

终端门锁与无线网关间采用IEEE 802.15.4 ZigBee标准协议帧进行传输，传输的帧格式如表1所示。

终端门锁与服务平台软件间的交互协議存放在ZigBee协议帧的MAC层数据里，交互协议的报文帧格式如表2所示。

交互协议的帧头使用一个字节0xA5表示数据帧开始;帧类型包括校时帧（数值为0x01）、唤醒报文帧（数值为0x 02）和刷卡报文帧（数值为0x03）;帧内容长度和帧内容根据帧类型字段填充;帧尾使用一个字节0x5A表示数据帧结束。

2.2  无线网关的设计

2.2.1  无线网关硬件设计

无线网关的硬件构成包括带网络接口的MCU、多路ZigBee无线模块、工作指示灯等，其设计框图如图4所示。

无线网关的微控制器采用NXP的Cortex-M3处理器LPC1778，该处理器具有1路的以太网接口，5路的UART接口，可满足一个网关同时支持4通道的ZigBee通信的应用。

2.2.2  无线网关软件设计

无线网关负责完成终端门锁和服务平台间的ZigBee报文和以太网报文交互协议的转换工作。

终端门锁上报数据信息时，无线网关把终端门锁发送的ZigBee通讯报文MAC层的交互协议剥离出来，并在交互协议上填充门锁地址、无线网关地址及当前无线报文的信号强度三个协议字段。经过无线网关转换后的交互协议如表3所示。

无线网关把转换后的交互协议通过以太网发送到服务平台软件，服务平台软件根据多个无线网关上报的信息帧，通过门锁地址和帧内容两个协议字段剔除相同的报文帧，并根据不同网关上传的报文帧里的信号强度字段，评判出上报信息的门锁与哪个网关的通信质量是最好的，选择通信质量最好的网关给门锁回复应答报文。

2.3  服务平台的设计

服务平台软件采用MVC的设计模型，包括模型层、视图层和控制层。模型层是应用程序中用于处理应用程序数据逻辑的部分，通常模型对象负责在数据中存取数据;视图层是应用程序中处理数据显示的部分，通常视图是依据模型数据创建的;控制层是应用程序中处理用户交互的部分，通常控制器负责从视图读取数据，控制用户输入，并向模型发送数据。MVC分层有助于管理复杂的应用程序，并同时简化了分组开发，使不同的开发人员可同时开发视图、控制器逻辑和业务逻辑。服务平台软件的MVC框架如图5所示。

服务平台的前端页面主要包括用户登录界面、查询刷卡流水界面、授权界面及远程开锁界面等，用户的刷卡信息存储到MySQL数据库中。系统管理员登录后可根据门锁所在的房间号和日期查询门锁的刷卡信息。服务平台连接智能卡读卡器，可把读取到的卡信息下发到指定的门锁，作为开锁白名单。

3  系统性能

3.1  系统容量

一帧ZigBee报文的传输时间约为10ms，门锁和服务平台完成一次交互需要传输2帧ZigBee报文，传输时间约为20ms，考虑到数据有丢包重传的情况出现，系统分配给终端门锁的时间片为100ms，终端门锁的唤醒上报周期为5s，即单个信道的ZigBee网络最多可管理的终端门锁数量为：

单信道终端门锁数量==50个。

本系统的无线网关采用四信道ZigBee的设计方案，4个信道最多可管理的终端门锁数量为50*4=200个。

ZigBee网络可用的信道总共有16个，采用每4个信道作为一组网络，把ZigBee的16个信道不重复使用的话最多可管理的终端门锁数量为200*4=800个。

3.2  系统功耗

终端门锁休眠电流约为6μA，工作电流约为22mA，每间隔5秒唤醒的工作时间为100ms，按照电池容量为2450mAh计算，终端门锁的使用时长为：

使用时长=（）=20171300s。

转换成天数为：使用时长==233天。

4  结  论

本文通过对智能卡门锁系统中终端门锁、无线网关和服务平台的软硬件设计方案介绍，实现了智能卡门锁通过ZigBee无线技术进行联网，并根据方案的设计特点分析并计算系统管理终端门锁的容量及门锁持续使用的时长，为智能卡门锁进行集中监控和管理提供了合理的设计方案。方案中实现的多个网关重叠覆盖部署的方式也为其他的无线组网应用提供了有利的参考。

参考文献：

[1] 吴叶兰.智能卡表技术与应用 [M].北京：机械工业出版社，2012：23-56.

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[4] 周立功.面向AWorks框架和接口的C编程（上） [M].北京：北京航空航天大学出版社，2018：78-81.

[5] 孙鑫.Servlet/JSP深入详解 [M].北京：电子工业出版社，2019：20-72.

作者简介：陈剑栋（1982-），男，汉族，广东广州人，嵌入式软件工程师，工学学士，研究方向：嵌入式软件、无线通信。