基于ZigBee 的智能门锁系统设计

贺云飞，甘 雨，，肖国锐

（1.湖南北斗微芯产业发展有限公司，湖南 长沙 410000；2.战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001）

随着电子技术的发展，家居的智能化已成为必然的趋势。智能门锁作为家居安全的重要“守门员”，其重要性不言而喻[1]。门锁的智能化技术核心在于门锁权限的控制和门锁状态的反馈，能够让用户实时掌控家里的门锁状态。

采用无线通信技术控制终端门锁，其优势在于安装方便，不需要布线。ZigBee 技术具有低功耗、低延时、低成本、网络容量大、安全性高等特点，并且能够实现自组网，具有较强的网络恢复能力，相较于蓝牙、WiFi、LoRa 等无线技术[2-5]，具有明显优势。该设计采用ZigBee 技术实现智能门锁系统，功耗低、实时性高，对于酒店、宿舍等需要对门锁集中监控管理的场合提供了极大的便利[6]。

1 系统总体设计

智能门锁系统由终端门锁、无线网关、云平台及用户终端组成，主要功能是检测门锁的状态，实现远程门锁的开关控制及管理。ZigBee 网络采用星型网络拓扑结构，终端门锁作为终端节点，无线网关作为协调器[7-8]，系统总体框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

终端门锁通过ZigBee 网络连接到协调器，将检测到的门锁状态信息上传平台，同时终端门锁根据协调器下发的控制指令执行门锁的开关操作；无线网关作为终端门锁和平台的桥梁，通过以太网和平台连接，实现终端门锁和平台的双向通信，同时无线网关负责对终端门锁的安全性管理[9]。

用户终端将终端门锁的地址和门锁的白名单下发给无线网关，终端门锁注册入网过程中，无线网关通过比对门锁的地址来控制门锁接入的权限，用户终端下发控制指令到无线网关，无线网关根据白名单进行匹配，在白名单目录内的才允许将控制指令转发给终端门锁；无线网关对终端门锁的在线状态进行管理，监测到终端门锁离线则反馈给平台。

平台记录所有终端门锁、无线网关的工作状态，记录终端门锁的开锁记录等，做到用户终端实时掌控门锁的信息。

2 硬件设计

ZigBee 网络终端节点和协调器选用CC2530 片上系统作为ZigBee 模块[10]，CC2530 片上集成了RF 收发器和增强型8051 内核，在发射模式下，电流损耗低于30 mA，休眠模式下低于0.4 μA，且主动模式和休眠模式的切换时间非常短，非常适用于超低功耗要求的系统。

2.1 终端门锁硬件设计

终端门锁由CC2530、电源模块、驱动模块、按键、AD 转换电路等组成，如图2 所示。

图2 终端门锁硬件框图

终端门锁采用干电池供电，对整体功耗的要求高，门锁以CC2530 的片内8051 内核作为系统的微控制器[10-11]，微控制器通过AD 转换电路获取干电池的电压值，作为电池电量判断的依据；按键用作系统复位操作，通过按键操作实现微控制器自动复位；JTAG 接口用作程序仿真，仿真器使用CC Debugger仿真器；串口用作参数配置调试；门锁锁体和微控制器之间通过五线进行连接，其中，三线分别是锁舌信号线、反锁信号线和开锁信号线[12]。锁舌信号体现锁体是否上锁；反锁信号体现锁体是否反锁；开锁信号体现锁体是否通过钥匙或指纹进行了开锁操作，微控制器通过读取信号线的高低电平来判断门锁的状态。另外两线是微控制器通过驱动模块和门锁锁体的电机相连接，实现电机的正反转控制，拖动锁舌实现开关锁操作。主控电路原理图如图3 所示。

图3 终端门锁主控电路原理图

门锁采用L7010R 马达控制驱动芯片来驱动电机，L7010R 是控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，CC2530 通过MA+和MA-两个输出端口控制驱动芯片驱动电机正反转来实现开关锁操作。网络标签号SUOSHE、MECKEY和FANSUO 分别代表锁舌信号线、开锁信号线以及反锁信号线，这三根线和电机驱动信号线通过接线端子和锁体相连接，网络标签号DIANLIANG 连接干电池，通过ADC 采集电量信息，KEY 和RESET 分别连接按键电路和复位电路。

2.2 无线网关硬件设计

无线网关由CC2530、STM32F103RCT6、蜂鸣器、电源模块、以太网等组成，如图4 所示。

图4 无线网关硬件框图

CC2530 作为ZigBee 网络部分的微控制器，完成协调器功能，实现和门锁的无线通信；CC2530 通过串口和主控芯片STM32F103RCT6 相连接。蜂鸣器作为提示音，提示终端门锁是否成功接入无线网关，方便用户对终端门锁的对接调试。无线网关和平台之间通过以太网相连接，考虑到无线网关供电的便利性，电源部分支持外部电源输入供电，也支持POE供电方式；串口2 用作无线网关的参数配置以及调试，图5 是主控制器STM32F103RCT6 原理图。

图5 主控制器STM32F103RCT6原理图

以太网[13]采用W5500 芯片来实现，W5500 芯片是一款集成全硬件TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，主控制器通过SPI 接口控制W5500 芯片实现网络通信，同时W5500 的工作模式定义了引脚和主控芯片相连接，主控芯片通过设置工作模式引脚的高低电平实现W5500 的工作模式。

3 软件设计

CC2530 的软件开发提供了一套完整的Z-Stack协议栈[14]，Z-Stack 协议栈是一个基于时间片任务轮询方式的操作系统，Z-Stack 的主要执行流程包括关闭所有中断、芯片外设初始化、芯片内部初始化、操作系统初始化、打开所有中断和执行操作系统。在任务轮询过程中，根据任务的优先级检测任务是否就绪，查询每个任务是否有事件发生，如果有事件发生，则执行相应的事件处理函数，如果没有事件发生，则查询下一个任务[15]。

3.1 终端门锁软件设计

终端门锁作为ZigBee 网络中的终端节点，采用低功耗工作模式，执行休眠、唤醒、休眠循环的工作方式。终端门锁的主体软件流程如图6 所示。

图6 终端门锁的程序的流程

终端门锁主要完成以下功能点：1）检测门锁状态；2）检测电池电压上报平台；3）执行协调器下发的控制开关锁指令。

系统启动后首先对硬件和协议栈进行初始化，为了门锁的安全性，硬件初始化过程中，微控制器驱动电机默认处于门锁关闭状态。终端门锁检查ZigBee 网络，尝试连接协调器，如果连接失败，则设置休眠时间，进入休眠状态，自动唤醒后重新尝试连接协调器，直到连接成功。如果终端门锁在多次尝试连接失败的情况下，系统调节休眠时长做到降低电量的消耗。

在终端门锁成功连接协调器后，执行低功耗工作机制，周期性地从休眠当中唤醒后侦测有无事件要处理，若有事件要处理，处理完之后进入休眠，否则立即休眠，为了保证实时响应协调器下发的控制指令，系统每隔300 ms 唤醒一次，进行事件侦测。

系统每次唤醒后，都会检测门锁的状态信息，若门锁的状态发生变化，则立即将门锁的状态信息进行上报。电池电压的检测不需要频繁进行，每隔1 h唤醒检测一次。

若系统在唤醒后侦测到协调器下发的控制指令，接收控制指令后，如果是开锁指令，则立即执行开锁，同时，为了防止门锁长期打开的安全性问题，系统在延时10 m 后自动执行关锁指令。

微控制器驱动电机的引脚MA+为高电平，MA-为低电平则电机正转，驱动电机关锁；MA+为低电平，MA-为高电平则电机反转，驱动电机开锁，MA+和MA-同时为高电平，则电机停止工作。微控制器在执行开关锁操作后，延时100 ms，然后再驱动电机停止工作。

3.2 无线网关软件设计

无线网关的程序包括ZigBee 协调器程序和主控程序。协调器程序由CC2530 完成，主要功能包括：1）建立ZigBee 网络，接收终端节点加入网络；2）实现终端节点数据转发；3）实现主控程序的数据转发。协调器程序执行流程如图7 所示。

图7 协调器程序的流程

CC2530 执行过程中不需要考虑低功耗机制，系统启动后，检测网络节点的入网操作，对于已入网的终端节点，CC2530 循环检测终端节点是否有数据，在接收到终端节点数据下直接通过串口转发给主控程序，同时CC2530 接收到串口数据后，自动采用无线方式发送给终端节点。

主控程序由STM32F103RCT6 完成，主要完成以下功能：1）平台的数据通信；2）协调器的数据通信；3）平台、协调器数据的处理；4）终端节点的管理。执行流程如图8 所示。

图8 无线网关主控程序的流程

主控程序硬件初始化后，对协调器进行复位操作，启动协调器运行，主控程序根据配置的网络参数，采用MQTT 通信协议[16-17]和平台相连接，MQTT 协议使用发布/订阅消息模式提供一对多的消息发布，解除了应用程序的耦合。

主控程序通过串口接收协调器转发的终端节点的数据，主控程序接收到终端节点的注册成功信息后，则将该终端节点标记为上线，同时通过蜂鸣器鸣叫一声进行提示，后续通过接收终端节点的心跳数据来判断终端节点是否在线，主控程序通过MQTT协议发布终端节点状态到平台。对于终端节点的电池电压、门锁状态等参数信息，主控程序接收到信息以后不做任何处理，直接通过MQTT 进行发布。

主控程序通过MQTT 协议订阅相应的主题，接收平台下发的控制指令，对于接收到的控制指令，主控程序根据存储的白名单进行对比过滤，将合法的数据通过协调器转发给终端节点。

4 系统测试

智能门锁系统实物图如图9 所示，测试过程如下：首先给终端门锁和无线网关进行通电启动，无线网关的蜂鸣器鸣叫一声，说明终端门锁成功连接到无线网关，一段时间后断电重启无线网关，无线网关的蜂鸣器自动鸣叫一声，说明终端门锁在断开连接的情况下能够自动重连，反复试验，成功率达100%。

图9 智能门锁系统实物图

利用MQTT 网络调试助手，按照无线网关订阅的主题向无线网关下发开锁指令，终端门锁鸣叫一声，说明开锁成功，终端门锁在10 s 后自动关锁，重复试验100 次，测试成功率达95%以上。

在终端门锁串联电流表来测试功耗，终端门锁在低功耗休眠下电流为20 μA，终端门锁在唤醒发送接收数据瞬间电流达30 mA。

5 结束语

通过对基于ZigBee 的智能门锁系统的设计，实现了终端门锁系统网络互连的功能，用户可以远程下发控制指令控制门锁的开关操作，终端门锁实时上传门锁的状态信息。通过验证测试，终端门锁静态电流小于20 μA，功耗极低，符合干电池供电的要求，同时开锁成功率达95%以上，系统运行稳定，下发控制指令能够实时反馈，具有较好的实用价值。