基于ZigBee的无线门禁系统电子密码锁设计
文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：胡兵，王刚 人气： 发表时间：2011年07月12日
随着社会物质财富的增加，各种盗窃案件频繁发生，防盗日渐成为人们日常生活所关心的问题。门锁自古以来便是人们防盗的利器，人们对它的要求很高，既要安全可靠又要使用方便，长久以来，机械锁被人们广泛使用，在防盗方面发挥了重要的作用。
然而机械锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开。此外随着楼宇面积的扩大以及房间数量的增加，对机械锁钥匙的管理也变的十分复杂，其安全性也随之降低。人们意识到孤立的门锁已经无法起到可靠的防盗作用，必须将楼宇内的门锁进行集中管理，于是一个安全可靠便于统一管理的门禁系统成为人们研究的重点。
门禁系统是新型现代化公共安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，设计电子、机械、光学、计算机技术、通信技术和生物技术等诸多新技术，是重要部门出入口实现安全防范管理的有效保障。随着无线传感网络技术的发展，应用ZigBee 技术使得门禁系统的实现变得更加简单有效。
现有的门禁系统有三种识别方式：密码识别、卡片识别和生物识别。较之其他两种方式，密码识别具有操作方便，无须携带卡片；设计简单；成本低等优点[1]。
门禁系统允许终端管理员对楼宇内的所有门锁进行监控，当门锁出现安全隐患时，管理人员可及时调度保安人员进行防护，当楼宇内出现火灾等事故时，管理员可及时打开相应的安全通道门锁，对人员进行疏撒。电子密码锁门禁系统可广泛应用于办公楼、学校、宾馆等部门。
1 ZigBee 协议
ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线传感器网络技术。ZigBee 技术并不是完全独有、全新的标准.。它的物理层、MAC 层和数据链路层采用了IEEE 802.15.4 标准，并在此基础上由Zigbee 联盟制定了应用会聚层、应用层规范（API）和网络层，组成了Zigbee 协议标准[1]. 整个协议架构如图1 所示。
ZigBee 网络具有星型、树型、网状三种组网方式，每个ZigBee 网络最多可支持65535个设备，也就是说每个ZigBee 设备可以与另外65534 个设备相连接[2]。这些设备之间相互协调实现通信，每个设备只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个设备传到另一个设备。每个网络节点的距离可以由标准的75 米到扩展后的几百米，甚至几公里。ZigBee 网络中有三种不同类型的设备：
协调器：协调器负责启动和配置网络，它是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。
路由器：路由器允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的终端节点进行通信。
终端节点：终端节点没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备[3]。
2 系统概述
该门禁系统由电子密码锁、ZigBee 终端节点、路由器、协调器以及上位机组成。电子密码锁通过ZigBee 网络将实时的状态发送给上位机，上位机对电子密码锁发送过来的数据进行记录和管理，并可对电子密码锁进行控制。系统结构框图如图2 所示。
系统实现功能：输入8 位密码，正确则打开门锁，并向上位机发送门锁已打开信息，上位机记录开锁时间；若密码错误，密码锁进行短报警，并向上位机发送密码输入错误信息，上位机记录密码输入错误时间；若连续输错三次，密码锁进行长报警，并向上位机发送存在危险指令，上位机记录时间并向管理员报警。若要修改密码，密码锁会向上位机发送密码修改请求指令，经管理员同意后，上位机返回同意修改密码指令，用户方可修改密码。上位机可实时监控密码锁的开关状态，当密码锁超过一定时间未关闭，上位机将向管理员发出警报。
3 硬件设计
3.1 硬件结构框图
硬件电路由单片机、键盘输入模块、显示模块、扬声器、开关锁机构以及ZigBee 通信模块组成，硬件结构框图如3图所示。
单片机我们选用STC89C54，显示模块与键盘输入选用周立功公司的ZLG7290B 来管理数码管和键盘，ZigBee通信模块选用Chipcon公司的cc2430来实现相关功能。
3.2 硬件芯片介绍
3.2.1 CC2430
CC2430 是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的2.4GHz ISM 波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051 控制器[4]。
CC2430 的设计结合了8Kbyte 的RAM 及强大的外围模块，并且有3 种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64 和128kByte 来优化复杂度与成本的组合。CC2430 引脚排列图如图4 所示。
3.2.2 STC89C54
89C54 单片机是MCS-51 系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052 单片机完全兼容，只是加大了内部程序存储器Flash 的容量[5]。它的主要特点有：
1.256×8 位内部RAM；
2.3 个16 位定时/计数器（T0、T1、T2）；
3.1 个全双工、可编程串行通信口（UART）；
4．6 个中断源，2 个优先级；
5.4 个8 位I/O 口（32 位I/O 引脚）；
6.TTL 和CMOS 电平全兼容；
7.5（1±0.1）V 供电时，工作频率为0～33MHz；
8.3（1±0.1）V 供电时，工作频率为0～12MHz；
9.内部看门狗定时器（WDT）；
10.支持3 种省电模式：空闲、下电和等待，并且支持外部低电平中断退出下电模式。
3.2.3 ZLG7290B
ZLG7290B 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。能够直接驱动 8 位共阴式数码管（或 64 只独立的 LED） ，同时还可以扫描管理多达 64 只按键。其中有 8 只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的 Ctrl、Shift、Alt 键一样。另外 ZLG7290B 内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连续有效。采用 I2C 总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线。提供相应的函数库，可通过调用函数直接实现显示与键盘输入相应功能。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。
3.3 硬件原理图
电子密码锁硬件原理图如图5所示。
4 软件设计
4.1 主程序框图
主程序实现以下功能：
1.上电后显示为“00000000”。
2.按下数字键后在相应位显示“8”。
3.如输入数字错误，按下退格键可清除上一位输入。
4.密码输入完毕后，按下确认键，如果输入密码完全正确，绿灯亮起，锁打开。若输入错误，视错误次数而定，如果错误小于三次，显示错误次数，红灯短闪烁，报警5 秒，显示全部清除为“00000000”。若错误三次，先显示“33333333”，红灯长闪烁，报警10 秒，键盘输入被锁，由管理员端方能解锁，然后显示全部清除为“00000000”。在各种情况下，均向管理员发送密码锁状态。
5.在开锁状态下，输入要重置的密码，按下重置密码键，密码锁向管理员发送修改密码请求，如果管理员同意修改，屏幕闪烁，密码修改完毕。
6.在开锁状态下，按下关锁键，绿灯熄灭，显示全部清除为“00000000”。电子密码锁主程序框图如图6 所示。
4.2 密码比较程序框图
密码比较程序框图如图7 所示。
4.3 修改密码子程序框图
修改密码子程序框图如图8 所示。
5 结语
电子密码锁在生活生产的很多部门已被广泛使用，通过结合ZigBee 技术，电子密码锁不再孤立的起到防卫作用，而是更加系统化、规范化。结合通信与控制技术，数量庞大的电子密码锁能够被统一进行管理，这使得电子密码锁的安全系数得到大幅度提高。
鉴于ZigBee技术近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点，这种电子密码锁在学校、宾馆、仓库等许多地方具有良好的推广价值。《中国科技论文在线》（中国矿业大学信息与电气工程学院 胡兵，王刚）
[参考文献] ：
[1] 李朝青单片机原理与接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，2003.
[2] 江修波.ZigBee 技术及其应用[J].低压电器，2005,（7）：27-33.
[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实践[M].北京：航天航空大学出版社，2007.
[4] 郑州新双恒信息技术有限公司.CC2430 数据手册[Z].郑州：郑州新双恒信息技术有限公司，2005.
[5] 万光毅，严义，邢春香.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.
[6] 广州周立功单片机发展有限公司.ZLG7290工作手册[Z].广州：广州周立功单片机发展有限公司，2006
