基于ZigBee技术的无线智能锁系统设计

摘要：随着人们对财物的保管意识的增强，许多银行金融机构增加了保险柜租赁服务，提供给客户保管贵重物品。该文讨论的智能锁系统采用基于ZigBee技术的无线通信方式，可以对柜门的开关操作进行远程控制，实时监控柜门开关状态，并且在非法开启时能够发出声光报警，确保了保险柜的安全。

关键词：ZigBee；实时监控；节能

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0266-03

Abstract： Many banks and financial institutions provide leasing services for customers to keep their valuables with the increasing awareness of the preservation of property. This paper discussed the lock system Based on ZigBee which is of excellent security， it controls and monitors the on-off state of the safe door remotely， and it has sound-light alarming devices when illegally opened.

Key words： ZigBee； Real-Time Monitoring； Power saving mode

1 概述

近年来，随着生活水平的日益提高，人们对财物的保管意识越来越强，多数银行提供了保险柜租赁服务，很多人会将黄金，古玩、字画等收藏品存入银行的保险柜，一些保密机构和单位也会将印章，绝密资料等重要物件放入保险柜保管。目前，大多数银行沿用的是钥匙开启的方式来管理保险柜，用户在开启保险柜时需要使用对应的钥匙，然而存在一个问题，一旦客户钥匙丢失，需要大量的时间来挂失和补办钥匙，也有可能在挂失之前被他人拾取而丢失财物。

少数银行在保险柜管理上采用了密码锁、指纹识别等现代开启技术，但随着技术的发展，近年来银行盗窃案例也频频发生，本文研发了一种基于ZigBee技术的远程管理系统，能够有效地改善和提高保险箱的安全性。

2 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE 无线个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）组的一项标准，被称为 IEEE802.15.4 技术标准。但IEEE仅处理低级MAC层和PHY层协议，因此ZigBee联盟扩展了IEEE，对其NWK层协议和API进行了标准化，开发了网络/安全层，确保了数据传输的可靠性，其协议层结构如图1所示。ZigBee工作在2.4GHz ISM频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段，在这几个频段上进行信号传播时损耗较小，可降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的通信距离，即可用较少的设备覆盖较大的区域。ZigBee最高传输数据率达到250kbit/x，直线传输距离可达100米，如果增加功率放大器，其传输距离可覆盖几百米甚至几公里。

作为一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，ZigBee技术是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，在传感器网络等领域应用非常广泛，这得益于它强大的组网能力，可以形成星型、簇状型和网状型三种ZigBee网络，如图2所示。

在ZigBee网络结构中，按功能可以将节点分为三类，分别是：协调器（Coordinator），路由器（Router）和终端（End-device）。协调器是整个网络的组织者和管理者，它负责建立、配置和维护整个网络。路由器主要负责路由发现、允许其他节点通过它接入到网络并且实现节点间数据包的转发功能。终端节点通过协调器或者路由器接入到网络中，主要负责数据采集和传输功能，但不允许其他节点通过它加入到网络中。ZigBee终端节点是具体执行的数据采集传输的设备，他不能转发其他节点的消息。

星型结构是最简单的拓扑结构，它不支持路由器节点，终端节点只能与协调器进行通信，因此具有结构简单，组网方便，数据延迟小等特点。

簇状型结构包括一个协调器，多个路由器和终端节点。协调器可以连接一系列的路由器和终端设备，其子节点路由器的子节点也可以是一系列的路由器和终端设备，而终端节点不能有子节点，由此可以重复多个层级来构成网络。在簇型网络中，节点只能与其父节点或子节点进行通信。

网型结构由一个协调器和多个路由器、终端节点构成。与簇状结构不同的是路由节点之间可以直接通信，因此，路由较灵活，即使某条路径出现问题，也可以通过其他路径进行信息传输。

终端节点是整个网络结构中最为简单的环节。在系统运行过程中，能够接收到来自主节点的信息。由于其不需要与邻近节点协调，并兼具路由功能，故能够赋予系统更强的性能。同时当系统处于休眠状态时，其每个终端节点处于低功耗状态，能够节省大量电能，降低系统运行成本。

3 系统设计

3.1 系统实现功能

通过对zigBee协议和银行保险柜管理系统的研究，本文所设计的系统功能主要进行保险柜门锁开关操作的远程控制以及开关日志信息的传输。

集中控制设备通过TCP/IP协议和无线控制基站通信，無线控制基站通过ZigBee协议和无线锁通信。

3.1.1 系统介绍

如图3所示，该系统通讯网络由三部分组成：系统控制中心，无线基站和保险柜门锁。

系统控制中心与无线基站之间使用TCP/IP协议进行数据传输，无线基站与保险柜门锁之间采用ZigBee无线通信技术，实现门锁的无线组网，由于门锁之间不需要信息交流，每一个门锁都直接与无线基站进行数据交互，因此，在无线网络中，采用了星型拓扑结构。

系统工作时，门锁与基站进行无线通信，无线基站与控制中心通过有线以太局域网进行数据交换，从而实现对门锁的控制与状态监测。

为了降低锁具安装成本及难度，锁具采用电池供电，在系统运行过程中，门锁节点定时唤醒接收来自基站的信息。当系统处于休眠状态时，每个门锁节点处于低功耗状态，延长电池使用寿命。

3.1.2 实现功能

控制中心通过无线基站能够与各保险柜门锁节点实现双向通信，控制中心可以查询终端节点状态，下达命令和传输数据，无线门锁也可上传数据。具体实现功能如下：

（1） 远程控制：控制中心能远程控制门锁的开启和关闭。

（2） 数据操作：控制中心可以对门锁进行无线下载日志、同步时间等数据操作。

（3） 门锁上报数据：门锁在开关门时会向控制中心发送记录（开关门时间），以实现对柜门状态进行实时监控。

（4） 状态查询：控制中心能查询门锁的电池状态、开关状态。

（5） 同步门锁时间：电脑通过无线基站能查询门锁的时间，然后可以通过电脑同步门锁的时间，保证日志记录的正确性。

3.1.3 系统特点

（1） 无线组网：

无线通信技术成熟稳定，并具有低功耗、安全、网络容量大等特点。无需布线，降低施工成本。

（2） 实时监控：

电脑能实时监控门锁的开关状态和门锁的电池状态，方便门锁的管理和更换电池。且安全性得到保障。

（3） 通信安全：

支持无线传输国际标准的安全套件，无线传输的数据采用AES-128先進的加密算法，为无线通信提供安全保障。

（4） 功耗低：

系统硬件均选用低功耗元器件，在没有数据传输时系统处于休眠状态，因此产品功耗低，高能电池可工作24个月。

（5） 即装即用：

产品采用碱性干电池供电，不需任何连接线，安装方便，即装即用。

3.2 终端门锁硬件设计

3.2.1 系统框图

系统框图如图4所示，门锁系统由电源模块、ZigBee模块、控制器、存储模块、电机模块、实时时钟模块、霍尔模块构成。MCU接收来自ZigBee的信息并对接收到的信息进行分析，生成对其他模块的控制命令或进行数据传递。

3.2.2 工作原理

门锁上电后，系统通过ZigBee模块发起组网申请，控制中心收到通过无线基站中转的申请后，更新在线门锁节点信息并完成时间同步。门锁注册成功后，控制中心可以通过指令查询门锁电池状态、开关门日志、实现远程开门等操作。

门锁平时处于睡眠状态，以降低系统功耗，ZigBee模块定时唤醒以便查询是否有无线数据需要接收，如收到与自身ID匹配的数据包，则唤醒MCU执行相应操作，否则丢弃当前数据，并重新进入睡眠状态。要执行开门操作时，控制中心通过无线基站发送门锁ID和开锁指令，ZigBee模块收到数据后，唤醒MCU进行指令解析，并执行开锁命令，同时将开锁命令与当前时间一起存入EEPROM，并声光报警，提示用户门锁已开启。当用户拉开柜门时，门锁上的霍尔传感器输出高电平，MCU检测到此信号后随即发送本机ID加开门状态数据到控制中心，并保存日志，如果长时间无开门动作，门锁将自动上锁并上传上锁日志，同时将日志写入EEPROM。

对柜门进行开关操作时，MCU将时间信息保存在存储器内，并主动将日志通过无线基站上传PC机。MCU接收到开关门请求信号时，将请求信息上传PC机，PC机同意后将通过无线基站授权MCU驱动电机实现对柜门的开关操作。当无开关操作请求时，系统处于休眠状态，MCU会对门锁唤醒进行定时查询，当霍尔传感器检测到门锁处于异常开启状态时，系统将启动声光报警，同时将异常信号上传MCU，MCU将信息及时反馈至PC，并将时间日志记录到存储器中。

系统选用MSP430系列单片机作为微控制器，MSP430系列单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的内核指令以及大量的模拟指令，内部寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令。该系列单片机具有数据处理能力强，运算速度快，功耗低等特点，满足电池提供系统对功耗的要求。

3.3 软件设计

该系统使用IAR Embedded Workbench的C/C++作为开发工具进行程序设计，该编译器所编写的代码紧凑，节省硬件资源，在软件设计时可以最大限度降低产品成本。

通过软件设计，该系统实现了低功耗工作模式。

如图5所示，门锁上电后门锁通过ZigBee发出组网申请，组网成功后若没有其他操作需求时通过定时器定时自动进入睡眠模式。

程序对安全智能锁主要耗电部分如MCU，ZigBee模块等进行控制，使其在空闲状态时自动进入低功耗休眠模式，当需要进行日志上传（如图6所示）或者数据接收（如图7所示）时，将进入中断程序处理相应的任务，终端程序结束后再次进入低功耗休眠，由于添加了低功耗休眠，系统整体功耗将大大降低。

4 结束语

本文设计的基于ZigBee技术的无线智能锁系统具有安全系数高、功耗低、网络容量大、安装方便等优点，已完成实物的制作与调试，实验验证能够完成预定的功能，具有很强的实用性。

参考文献：

[1] 李泊锋，王亚刚.基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].电子科技，2016（3）.

[2] 李玉林.ZigBee网络路由协议性能分析[J/OL].电子技术与软件工程，2017（12）.

[3] 朱斌，谭勇，黄江波.基于ZigBee无线定位技术的安全检测系统设计[J].计算机测量与控制，2010（10）.

[4] 俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究[D].浙江工业大学，2012（11）.

[5] 刘玉超.基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统[J].电子技术与软件工程，2017（10）.

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