基于Zigbee技术的无线门禁控制系统设计

张慧颖　钱同云　马淑华

摘要：针对目前无线门禁系统无线化、智能化的特点，设计了一种基于Zigbee无线通信技术的无线门禁控制系统，实现对电厂高压控制柜的门禁系统的智能管理。为了较好的避免无线网络在应用中的缺陷，系统在设计中采用了无线和有线相结合的方式。该系统成本低、安全性好，易扩展，具有较好的应用前景。

关键词：门禁 Zigbee 无线

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0026-01

1 引言

门禁系统是智能控制领域研究内容之一，具有很高的实用价值和应用前景。随着科技的进步，门禁控制系统发展越来越迅速，功能也逐步完善。门禁系统从机械锁发展到电子门禁，从单一的门禁控制系统发展到智能化、无线化的门禁系统，普通门锁和人工管理早已不能满足智能化的需要。尤其是拥有上百个电气控制柜的大型电厂及变电所，人工管理更容易造成管理上的困难，因此，采用现代智能化门禁技术不仅实现了可靠、安全、方便实用的特点，更重要的是节省了人力和时间，具有重要的意义[1]。

2 系统总体构成

电厂高压控制柜的门禁系统主要采用Zigbee技术和CAN总线技术相结合的方式实现无线智能化管理。一套完整的门禁系统主要由Zigbee无线网络、控制器、电锁控制器、传感电路、上位机数据库管理和CAN总线等基本部分构成。无线网络由充当调节器的基站节点和具有路由功能并配有传感器的终端节点组成。系统组成框图如图1所示。

本系统的工作原理如下：当电厂的需要检索线路时，管理员预先将授权信息下载到主控板的存储器中，终端节点将采集到的卡号信息通过Zigbee网络送入到主控器中，将卡号与存储器中的卡号进行对比，若卡号有效，则门锁打开，技术人员对被授权的控制柜进行操作。若存储器中确实没有此卡号的授权信息，就会请求管理系统进行数据更新，如果确实无效，则无法打开电锁[2]。

3 硬件电路设计

系统硬件电路主要由CC2530构成的传感节点、协调器节点、基于ARM构架的主控制器和CAN总线的通信电路组成。电柜号的采集和发送由终端节点完成；协调器节点负责无线网络的组建和信息的汇聚，又称为汇聚节点；CAN总线与上位机相连，实现上位机和协调器节点的数据相互传送。

3.1 Zigbee无线通信模块

Zigbee网络的组建选取美国TI公司CC2530实现。该芯片兼容2.4GHz、IEEE802.15.4协议和ZigBee技术的片上技术，具有增强型8051微控制器内核的无线微型控制器，拥有128KB的系统内可编程闪存和8KBRAM，CC2530搭载传感器构成的路由节点，完成信息的采集及无线传输。Zigee无线网络的建立和协调是通过协调器节点实现的，同时协调器节点可将采集到的数据通过网关上传到监控中心进行分析与管理。协调器节点和路由节点的结构是一致的，协调器节点不需要进行信息的采集故无需外加传感器模块。为了增加无线覆盖范围满足电厂需求，可以在射频前端增加CC2591功率放大，将Zigbee网络覆盖范围从传统的75m扩展到1Km以上[3][4]。电路如图2所示。

3.2 ARM主控制器设计

主控制器主要由Zigbee协调器节点、ARM中央处理器、CAN总线模块构成。中央处理器选用三星公司的S3C2440芯片，该芯片运行速度快可以更好的满足系统实时控制的需求。内部集成3个串口，配有SD卡控制器，两路全速USB主设备芯片，可以方便进行外围设备扩展。主控制器的外围由电源模块、时钟电路、存储电路、CC2530路由节点、键盘电路及CAN总线电路。ARM主控器电路如图3所示。

3.3 CAN总线电路设计

协调器节点与上位机相连时，采用CAN总线实现弥补无线网络的缺点。本系统采用TI公司生产的ARM架构CORTEX-M3系列的LM3S9B92实现CAN总线设计。片内资源丰富，自带了以太网控制器，遵循“IEEE 802.3”规范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准。系统采用自带的CAN总线收发器TJA1050实现CAN协议完成与外网和内网的通信功能[5]。

4 软件设计

门禁控制系统软件由上位机子程序和中央控制器程序两大部分构成。设计程序时，采用模块化编程思想便于后续的改动及移植。程序编写在ARM平台下完成，采用C语言进行编写与调试。软件程序包括Zigbee无线数据收发、CAN总线模块子程序、下位机与上位机通信子程序以及上位机处理软件程序。在Zigbee无线数据收发过程中，主要包括路由节点子程序、协调器节点子程序和终端节点子程序构成。无线数据收发程序采用CC2530兼容的协议栈Zstack2007的平台下设计应用程序；用户软件系统主要实现门禁设备的查找并建立连接，通过多次对比，确保认证的准确性。系统主机软件流程首先初始化，然后键盘接口扫描系统键盘操作，并完成Zigbee通信模块的连接，上位机发送需要打开的门禁序号，传递到中央处理单元；检测终端将采集到的门禁序号通过无线网络送入中央处理单元，进行对比比较，若对则建立连接，发送门禁开启指令。否则，不予开启门禁。

5 结语

本系统采用Zigbee技术和CAN总线技术相结合的方式设计电厂电柜的门禁控制系统，极大的提高了电厂对电柜控制的效率和安全性。通过测试，该设计方案具有较好的实时性和准确性，达到预期的设计目的。

参考文献

[1]张永宏，曹健，王丽华.基于51单片机与nRF24L01无线门禁控制系统设计[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2103，27（1）：64-68.

[2]刘伟，李晶.高压母线控制柜无线门禁硬件系统的研制[J].吉林化工学院学报，2014，31（9）：58-60.

[3]吴世通.基于ZigBce技术的无线门禁系统[D].苏州大学，2013.

[4]冯英伟，王庆福，王启元.基于ZigBee技术智能家居系统的研究[J].河北建筑工程学院学报，2015（1）：90-92.

[5]吴桂清，张欣萍，罗鹂等.基于STM32F207与CAN总线的车载监测系统设计[J].电源技术，2015，39（02）：407-409.