基于 ZigBee 的智能家居门禁安防系统硬件设计

摘 要：本文提出了一种基于 ZigBee 的智能家居门禁安防系统硬件设计方案。 该系统的设计是在一个网关的基础上，将多个监控节点通过网络连接到一起，实现对安防的实时监测。本文设计的网关包括控制器，GMS 通信模块，RS232 模块，协调器等。 该系统的特点是增加了生物特征识别模块和电脉冲检测装置，提高了系统整体安全性能。

随着社会的发展，一些社会不稳定因素也是越来越多，安防在人们的日常生活和工作中也显得尤为重要，在家居生活中，最主要的安防就是大门，现在的生活中，一般都是在大门上设置一个猫眼，但是猫眼无法很清晰地观察到门外的情景，只能作局部观察，无法实现较为安全可靠的安防。针对上述问题，介绍了一种基于ZigBee 的智能家居门禁与安全系统的硬件设计方法。

0.引言

门禁安防系统是基于视觉检测技术，利用互联网通讯将智能化与现代安全防护措施相结合，开发而成的一套安全自动化的管理系统。在传统的门禁设备中，各个识别点传感器需要通讯线与终端进行连接，存在成本高、可靠性不高、维修复杂和更新难等问题。如今，自动门禁系统主要使用计算机控制，传感器识别和无线传输等技术。它广泛应用于国外的新型门禁系统，其中 Zig Bee 功耗低，安全性高。低响应时间、低成本和有自组织和自愈性等优点在智能家居领域脱颖而出。本文提出了一种新型门禁系统的设计方案，其中结合了 Internet 无线通信和机器视觉技术。充分利用 ZigBee 的优势，设计智能家居访问安全系统。

1 系统概述

1.1 ZigBee 技术简介

20 世纪初，ZigBee 技术被称为 21 世纪十大最新科学技术之一，被科学家们预测为将是未来发展最快，具有广阔应用前景的科学技术。ZigBee 是一种新型的无线通信技术，类似于 WiFi 和蓝牙等短距离通信技术。 在待机状态下，干电池的电量就可以支持其工作数个月的时间，同时，它的制作成本很低， 响应时间迅速，同时还具有非常高的安全性，被开发者所广泛应用。 ZigBee 的物理层和访问控制层可以直接应用 IEEE802.15.4 协议。 对它的网络协议进行了标准化。ZigBee 技术具有星型、树型和网络型三种网络通讯方式。ZigBee 技术还可以同时支持上万个设备，具有超大的容量。

1.2 系统组成

该系统包括网关和网关控制的若干监控节点，网关包括网关控制器、ZigBee 协调器、RS232 模块、蓝牙模块、GSM 模块、网络变压器及 RJ45 接口。监控模块包括节点控制器，监控模块，生物识别模块和报警模块。节点控制器内置有 ZigBee模块。采用ZigBee无线通信技术和GSM技术实现节点控制器的远程监控和管理。监控节点包括车库访问节点，走廊访问节点，电梯访问节点和房屋访问节点。监控模块，生物识别模块和报警模块分别连接到节点控制器。

1.3 系统工作流程

门禁系统安装通电后，系统初始化。用户在家中时，可通过 RS232 模块连接PC 端，或者使用移动通信端通过蓝牙方式连接网关，查看各监测节点的监测状况。当用户外出时，通过移动通信端（GSM 网络）开启安防系统，安防系统开启后，系统进入无人监控模式。当业主想要进入住宅或车库时，将手指对准指纹识别单元，系统自动识别指纹特征并进行比对；同时将脸部对准脸静脉传感器，系统自动与用户存储于存储单元的脸静脉特征值信息进行匹配比对，特征信息无误后，用户打开门禁安防系统，进入住宅；若为非存储单元内存储的用户信息即不是业主本人及业主的其他家人，系统进行匹配比对后报警装置发出报警信号，同时将摄像头、收音器和红外探测器录入的信息以压缩形式存入存储单元，便于警方或者用戶自己追溯告警信息的原因。

2 系统硬件设计

本硬件系统设计包括网关和网关控制的若干监控节点组成。

2.1 系统网关设计

在该系统中，通过连接到网关控制器来实现功能模块之间的通信。系统建立ZigBee 网络，用于网关控制器和节点控制器之间的通信。RS232 模块连接到网关控制器，以实现网关控制器和主机之间的通信。蓝牙模块和 GSM 模块与网关控制器相连，实现网关控制器与移动通信终端的通信。RJ45 接口、网络变压器和网关控制器依次连接，实现网关控制器与互联网的连接。

2.2 系统各模块设计

监控模块均与节点控制器相连接，其中该模块包括三个部分，分别是红外扫描器、摄像头和收音设备。红外扫描仪负责检测节点附近有机体的红外信号。摄像机负责采集监控节点附近的视频信号。收音设备负责在监控节点附近收集音频信号。

生物识别模块作为本系统设计的特色之一，主要用来识别生物特征，采集生物相关信息。该模块包含两个指纹识别单元和面部静脉传感器。指纹识别单元负责采集和识别指纹信号。面部静脉感测单元用于收集和识别面部静脉特征信号。该模块同样受节点控制器控制。面部静脉传感器单元由数据处理子单元，存储子单元和收集子单元组成。用户的面部信息由红外摄像头采集经由数据处理单元经过相关处理后，输入到存储子单元。存储子单元连接到相关节点控制器。采集子单元包括脸静脉传感器和摄像装置，脸静脉传感器和摄像装置分别与节点控制器连接。车库门禁节点或楼道门禁节点还包括电脉冲检测装置。

电脉冲检测装置用于检测电子锁线路中的电脉冲信号，该装置与电子锁连接，电脉冲检测装置由感应线圈和与线圈连接的检测电路组成。检测电路依次并接：整流电路将由感应线圈产生的振荡电压隔离一个负半周期，仅将正半周期留给后续电路。将整流电路与 R101（限流电阻）串联。当电压过高时，TVS 管和齐纳二极管可以拉高电压，保护后续电路。C93 起到滤波作用。R102 为限流电阻。光电耦合器 U24 在没有感应电压时，其引脚 6 处于高电平。当存在感应电压时，其引脚6 为低电平，其引脚 5 接地，并且其引脚 8 连接到电源。电容 C94，起到滤波作用。分压电阻 R103。分压电阻 R110。电源，为光耦 U24 供电。

整流电路为二极管阵列。二极管阵列为 14 个二极管串联，输出端分别从 D11与 D12 之间、D23 与 D24 之间引出。

3 总结

该系统建立了多场景监控节点，监控范围广。增加了生特征识别模块，能够自动识别外人，并发出警报，第一时间阻止外人入侵，安全系数高；生物特征识别模块双重生物特征识别，提高了识别的准确率，同时解决了现有基于人脸识别的门禁安防系统因人脸识别易破解导致其安全性低的问题；增加电脉冲检测装置，能够检测到由于特斯拉线圈感应产生的电脉冲，防止入侵者使用特斯拉线圈破解电子锁。经过一段时间的试验表明，基于 ZigBee 的门禁系统具有良好的市场前景。

作者简介：

杨晓艺，出生年月：1997.10.30，性别：女，民族：汉，籍贯：山东省济南市，学历：本科，研究方向：通信工程.