基于ZigBee的门禁系统电子密码锁设计

    引言

    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。