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摘 要 ：本门禁系统设计基于计算机技术、ZigBee 无线网络技术以及单片机等技术的交叉融合,通过 ZigBee 终端节点和 协调器向上位机发送电子密码锁的实时状态,上位机记录和管理发送的数据,并据此控制电子密码锁。该系统主要由 CC2530 传输处理模块、STC15 单片机模块（含最小系统电路）、光耦隔离继电器模块、4×3 矩阵键盘、OLED 显示模块、蜂鸣器报警 模块等组成,通过继电器模块的开关模拟门禁锁的状态,构建了基于继电器控制的电子密码锁 ZigBee 终端节点。系统设计功 能完整,成本低,具有良好的扩展性和应用性。
关键词 ：ZigBee ；无线网 ；门禁系统 ；CC2530 ；单片机
Access Control Cystem Design Based on ZigBee Wireless Control
CHAI Xilin1, SHAO Zhaoyong2
(1.Lanzhou Petrochemical University of Vocational Technology, Lanzhou Gansu 730060； 2.Petro China Lanzhou Petrochemical Company, Lanzhou Gansu 730060)
【Abstract】：The design of this access control system is based on the cross-fertilization of computer technology, ZigBee wireless network technology and single-chip microcomputer, etc. The real-time status of the electronic combination lock is sent to the host computer through the ZigBee terminal node and the coordinator, and the host computer records and manages the sent data and controls the electronic combination lock accordingly. The system is mainly composed of CC2530 transmission processing module, STC15 microcontroller module (including the minimum system circuit), optocoupler isolation relay module, 4×3 matrix keypad, OLED display module, buzzer alarm module, etc. By switching the relay module to simulate the state of the access control lock, the ZigBee terminal node of electronic combination lock based on the relay control is constructed. The system is designed with complete functions and has good expandability and applicability.
【Key words】：ZigBee;wireless network;access control system;CC2530;microcontroller
0 引言
门禁系统是一种新型的现代化公共安全管理系统, 它涉及电子、机械、光学、计算机、通信、生物识别等 多种新技术,将基于微电脑的自动识别技术和现代化安 全管理措施融为一体 [1]。随着无线传感器网络技术的发 展,应用 ZigBee 、LoRa 等技术使门禁系统的设计应用变得更加简单有效。现有的门禁系统包含密码识别、 卡片识别和生物识别三种识别方法。相比之下,密码识 别具有使用方便、无需携带卡片、设计简单和成本较低 等优点。通过门禁系统部署,终端管理员可以监控大楼 内的所有门锁。如果门锁存在安全隐患,管理员可以及 时派出安保人员进行防护 ；如果楼内发生火灾或其他事故,管理员可以及时打开相应安全通道的门锁,疏散人 员。可应用于办公楼、学校、酒店和其他公共设施。
1 系统总体设计
本门禁系统设计主要由基于继电器控制的电子密码 锁 ZigBee 终端节点、ZigBee 协调器和上位机组成,如 图 1 所示。设计中主要融合了计算机技术、ZigBee 无 线网络技术以及单片机技术等,门禁系统通过 ZigBee 终 端节点和协调器向上位机发送电子密码锁的实时状态, 上位机记录和管理发送的数据,并据此控制电子密码锁。
2 系统硬件设计
2.1 ZigBee 终端控制节点电路设计及主要器件选型
本门禁系统设计主要由 CC2530 传输处理模块、STC15 单片机模块（含最小系统电路）、光耦隔离继电器模块、 4×3 矩阵键盘、OLED 显示模块、蜂鸣器报警模块等 组成,通过继电器模块的开关模拟门禁锁的状态,构建了基于继电器控制的电子密码锁 ZigBee 终端节点,其 电路设计如图 2 所示。
ZigBee 终端控制节点电路核心处理器选用了 STC15 W4K32S4 系列单片机芯片, 它是 STC 增强型 8051 单 片机最新技术结晶,宽电源电压 (2.4-5.5V),无须转换 芯片可直接与 PC 机 USB 接口进行通信,可在线编程 与在线仿真 [2]。并集成了大容量的程序存储器和高功能 接口部件,可大大简化单片机应用系统的外围电路,使 其设计更加简捷,系统性能更加高效、可靠。
组建无线网的 ZigBee 模块选用了芯片 CC2530, 它能以极低的成本构建功能强大的网络节点,具有不同 工作模式,并结合了 RF 射频收发器的良好性能,因此 特别适用于功耗极低的系统 [3]。根据需求,本设计采用 E18-MS1-PCB 这一款体积极小的 2.4GHz 无线模块 [3,4]。模 块为贴片型收发一体,自带高性能 PCB 板载天线,是由 德州仪器（TI）公司原装进口 CC2530 射频芯片,芯片 内部集成了 8051 单片机及无线收发器,适用于 ZigBee 设计及 2.4GHz IEEE 802.15.4 协议 [4]。
电子密码锁模块选用了 1 路光耦隔离继电器,它 可以通过跳线设置高电平或低电平触发,有良好的容 错设计,常开接口最大负载为交流 250V/10A,直流 30V/10A; 采用贴片光耦隔离, 驱动能力强, 性能稳定。 此外,还选用了具备自发光、对比度高、视角广、反应 速度快的 OLED 显示模块 ；采用有源蜂鸣器实现了报警电路设计 ；同时,搭配 4×3 矩阵键盘模拟电子密码 锁的按键输入。
2.2 ZigBee 无线自组网
（1）ZigBee 技术简介及其网络拓扑结构。
ZigBee 是一种短距离、低功耗、低数据速率和低 成本的无线通信网络技术 [4]。它可用于各类设备,提供 无线通信功能, 也是 ZigBee 联盟基于 IEEE802.15.4 标准中定义的物理层和介质访问控制层制定的一种低速 无线个人区域网络技术规范。IEEE802.15.4 定义了数 据传输模式、数据传输速率、无线电频率、网络运行模 式、设备类型和安全性等。
ZigBee 的网络拓扑结构主要有两种 ：星形网络拓 扑结构和网状形网络拓扑结构,如图 3 所示。星形网络 拓扑结构不存在路由器,而是一个协调器管理多个终端 设备。这样的网络拓扑类型无法搭建大型的网络,更适 用于小型网络的搭建。其特点是网络拓扑结构简单,节 点的加入或移除对网络没有影响,且这种拓扑结构对 于节点的硬件要求最低。星型网络拓扑结构如图 3（a） 所示。
网状形网络拓扑结构加入了路由器,使得节点和节 点之间可以通过路由器两两进行通信 [5,6] , 这种拓扑结构相对复杂。因为路由器的功能特性,使得这种拓扑结 构可以拓展成大型的网络以适应更多场合,同样的,在 网状形网络拓扑结构中最多也只能存在一个协调器。网 状形网络拓扑结构如图 3（b）所示。
（2）ZigBee 无线网络通信信道。
一般来说,不同的电波有不同的频谱,无线通信系统 的频谱从几十兆赫兹到几千兆赫兹不等,包括收音机、移 动电话、卫星电视等使用的频段。这些电波以空气为传输 介质,为防止各种应用相互干扰,必须对无线通信系统的 通信信道进行相应的管理 [3]。IEEE 802.15.4(ZigBee) 工 作在 ISM 频带, 定义了 2.4GHz 和 896/915MHz 两个频 段,共 27 个信道,如图 4 所示。
3 系统软件设计
（1）协调器程序设计 ：主要包括协调建立网络、检 测网络状态、发送维护信号、发送采集命令等。各个节点 在通信之前,协调器必须先把网络建立起来,协调器上 电后会自动搜索网络 [7,8]。协调器软件流程图如图 5（a） 所示。
（2）终端节点程序设计主要实现数据采集、数据处 理和传输。终端节点软件流程图如图 5（b）所示。
（3）上位机软件流程图如图 5（c）所示。本系统 利用星型网络实现多个节点数据采集,同时数据接收中 心利用 USB 接口与上位机进行通信,门禁内部所有的 采集数据都是通过 USB 串口传输到上位机。
4 系统软硬件仿真及调试结果
（1）通过 IAR 软件调试 ZigBee,代码界面如图 6 所示。
（2）通过 Keil 软件调试单片机,代码界面如图 7 所示。
（3）上位机调试 ：上位机通过串口调试门禁系统功 能模块,如图 8 所示。本系统通过终端节点模块键入密 码控制 1 路光耦隔离继电器模块的状态（开与关）,通过 ZigBee 无线网络,信息被传送到协调器节点,协调 器节点再通过串行端口将相应的信息发送到上位机,实 现对密码锁的控制与维护 [9,10]。
（4）控制系统硬件实物 ：终端节点、协调器等控制 系统硬件实物设计如图 9 所示。
5 总结
本设计将 ZigBee 技术应用到门禁控制系统中,以 CC2530 为 ZigBee 模块核心, 以 STC15 单片机为终端 节点控制板核心处理器,设计实现了基于 ZigBee 的无 线网络节点软件和硬件, ZigBee 协调器与上位机串行 通信,完成了整个门禁系统的组建。本设计的门禁系统 可以单独使用,也可以加上 ZigBee 模块组建无线网络, 通过网关及 WiFi/GPRS 连接云端监控中心,构建起更 大型和应用更加广泛的公共系统。尤其是本设计中继电 器 ZigBee 终端控制节点设计,只需在电路中另加一个 交流接触器,就可以直接扩展应用到智慧农业种植、养 殖等领域,如对滴灌、水泵、风机、照明等电气设备的 控制等。该设计功能完整,具有良好的扩展性和应用 性,进一步研究将加入安全机制,从而保证数据传输的 完整性与正确性,避免遭到网络恶意入侵攻击。
参考文献
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