基于ZigBee技术的无线门禁系统

3基于ZigBee技术的无线门禁系统中文摘要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。本文针对人员门禁系统进行研究。人员门禁系统在保证合法人员出入权限的同时防止非法人员的入侵。由于门禁节点在施工、部署、精度和成本方面的限制，一般的门禁系统往往只能满足其中一个或几个方面，很难做到平衡。因此不断采用新技术，改造门禁系统具有重要意义。本文对智能控制领域的门禁系统展开研究，主要研究内容包括以下几个方面：1.分析了无线技术的协议框架，在研究了各个通信协议层的具体功能和应用的基础上，受框架启示，采用了一种可行性方案（无线为主，有线为辅）解决无线技术在实际应用中的缺点。2.设计了基于ZigBee技术的无线人员门禁系统.本文在无线传感网框架基础上阐述了该无线门禁系统的整体结构，给出了硬件及软件的详细设计方案。硬件方面：详细分析了人员门禁系统的网络控制器的硬件电路，设计了射频电路模块和就地控制器。软件方面：按照四层架构分析系统的软件设计，移植了协议栈和协议栈，设计了总线协议并编写了硬件模块驱动程序。关键词：无线传感网，门禁系统，ZigBee技术3TheWirelessAccessControlSystemBasedOnZigBeeAbstractTheaccesscontrolsystemisoneoftheimportantresearchesinthefieldofintelligentcontrol.Italsohasimportantpracticalvalueandapplicationprospect.Thetraditionalaccesscontrolimplementsrightsmanagementbasedonpeople,Aimingatthelatestdevelopmentofintelligentbuilding,theparkingmanagementsystemisalsoincludedintheresearchcategoryoftheaccesscontrolsystem(vehicleaccess).Therefore,themaincontentsincludetwoparts:apersonnelaccesssystemandvehicleaccesscontrolsystem.Theformermainlyforbidsillegalpersonnelandprovidesaccessrightstolegalpersonnel.Andthelattermainlyincludesvehiclerightsmanagement,vehiclepositioningandtrackofthemovementpath.Duetoaccessnodes'construction,deployment,accuracyandcostconstraints,it'shardtobalancealltheaspects.Therefore,itisverynecessarytothestudyandimprovementtheexistingaccesscontrolsystem,andconstantlytriesnewtechnology.1)Thepaperstudyaccesscontrolsystemforintelligentcontrolfieldwhichreliesontheprovincialandmunicipalscienceandtechnologyprojects.Themainresearchcontentsincludethefollowingaspects；4)DesignawirelessstaffaccesscontrolsystembasedonZigBeetechnology.Thispaperdescribesthewholestructureofthewirelessaccesssystembasedonwirelesssensornetworkframework,andpresentsadetaileddesignschemeofhardwareandsoftware.Hardwareaspects:thenetworkcontrollerandon-sitecontrollerhardwarecircuitofstaffaccesscontrolsystemareanalyzedindetail,ZigBeerfcircuitmodulewasalsodesigned.Softwareaspects:accordingtofourlayersarchitecture,thepaperanalysissystemsoftwaredesign,whichtransplantatedZigBeeprotocolstackandlwipstack,designedCANbusprotocol,Andwritethehardwaredrivermodule.Keywords:WSN,AccessSystem,ZigBee3目录1第一章绪论1.1研究背景21世纪初，各种恐怖袭击事件一次又一次震惊了世界，刺激了发达国家神经，而发展中国家虽然增长迅速，但贫富差距越来越大，社会公平度被日益诟病，导致了犯罪的猖獗，危及人身和财产安全。人们对安全的日益关注推动了安防产业发展，同时也对安防产业提出了更高的要求。此外，随着生活水平提高，住宅小区、写字楼、学校、企事业单位、政府部门等场所的安防事业的重要性显得越来越突出。调查显示，美国是世界上最大的安防市场，占全球市场份额的。随着欧美厂商将工厂东移，亚太地区的安防事业发展迅速且潜力巨大。中国目前正处在社会的转型期，良好稳定治安环境显得格外重要。门禁系统是安防系统中重要一员，在安防市场中扮演重要角色。目前国内从事门禁系统有创一、北京青云、南泰等公司，产品主要为使用卡的有线门禁。随着智能楼宇领域对智能化和安防要求的提高，对人员门禁系统提出了更高的要求。由于无线技术、芯片制造技术、供电技术的发展以及人们对智能的日益热衷，一种新型的无线传感网技术使得实现门禁系统有了新的解决方案（无线智能门禁），并逐渐呈现智能化、无线化和功能集成一体化特点，弥补了门禁系统在某些无法布线场合应用的不足。1.2门禁发展概述本文研究门禁系统包括传统的人员门禁系统和车辆门禁系统（停车场管理系统）。门禁系统即出入控制系统，基本功能是：保证授权出入人员和车辆的自由出入，限制未授权的人员和车辆的进入，对于强行闯入的行为予以报警。并可同时对出入人员和车辆的卡号、出入时间等数据进行登录和存储，以达到安防的目的。除了以上共同点外，车辆门禁系统还需实现车辆定位和移动路径追踪。随着人类安全意识的提高，从原始的棍棒和木叉，到铁锁等金属设备的形成，门禁概念慢慢形成。但是传统门锁存在弊端（钥匙丢了则门锁也必须一起换，加大了成本和人力）；鉴于此，产生了磁卡门禁系统，提高了性能；随着人们的使用，发现磁卡具有存储容量小、失磁容易以及磨损大等缺点；为了弥补这些缺点，卡随之出现。21.3ZigBee无线传感网技术ZigBee是一种无线数传网络，数传模块类似于移动网络基站，通讯距离从标准的到几百米并且支持无限扩展。其特点是短距离、低功耗、低复杂度、低数据率、低成本、自组织和高可靠，主要适合自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。的技术特性决定它将是无线门禁的较合适的选择。ZigBee技术面临的问题目前典型应用中，一般采用树状拓扑如图1-3，随着应用的不断扩大，分支和子节点越来越多，节点数极限是大家关心的问题，例如在实现的协议栈中，网络地址为位，理论上可以有个节点。然而，考虑到设备自身处理性能，在现实应用中远远达不到这个数目，一般一个协调器只能处理个左右的路由节点或终端节点。如何在大型甚至超大型应用场合中使用技术是目前研究热点之一。图1-3ZigBee树状拓扑如此外，采用无线频率通信，不可避免的会遭遇通信距离瓶颈以及障碍物对信号的干扰影响。目前市场上功率加成的模块在空旷地带下最远通信距离为，可靠通信距离为左右。而存在障碍物时，通信距离将会更低。复杂环境下可靠使用技术一直是无线传感网应用中的一个难题。3第二章ZigBee协议ZigBee协议栈的网络层由联盟制定。主要实现节点加入或离开网络、分配地址、发现路由及传送数据等功能。基于低成本、低功耗、低复杂度的考虑，采用了Cluster-Tree+AODVjr结合的路由算法。其中与自组网中的经典算法不完全相同。准确的说，属于特殊应用下的简化版本。2.1地址分配机制ZigBee网络中，每个ZigBee设备都有一个的16bit网络地址和64bitIEEE扩展地址，其中后者是节点的唯一标示，类似于以太网中的地址和地址。一个新节点加入网络（关联过程），父节点将会为其分配一个网络地址，分配分为动态分配和分布式分配。为了杜绝地址分配的重复性，本系统采用的便是分布式分配机制；详细分配机制如公式2-1：(2-1)其中Ｌｍ表示网络的最大深度；Ｃｍ代表每个父节点拥有的子节点个数；Ｒｍ描述子节点中路由器节点的个数；Ｃｓｋｉｐ（ｄ）表示深度为ｄ的父节点与子节点之间的偏移量。2.2AODVjr协议ＡＯＤＶｊｒ是一种ＡＯＤＶ的简化版本，具备了ＡＯＤＶ的基本功能，但考虑到低复杂度和功耗，与ＡＯＤＶ相比，它具有以下不同点：1．该协议减少了控制开销，简化了路由发现过程。ＡＯＤＶ取消了ＡＯＤＶ中的目的节点序列号。2．简化了路由表结构，去掉了ＡＯＤＶ中先驱节点列表。3．数据传输发生链路中断时，采用本地修复连接中断，不成功则发送至ＲＥＲＲ分组的源节点，通知节点目的地不可到达。ＡＯＤＶ的ＲＥＲＲ中包含多个不可达的目的节点，而的格式被简化成仅包括一个不可到达的目的节点。4．ＡＯＤＶｊｒ抛弃ＡＯＤＶ中的周期性连接信息，仅根据收到的分组或者层信息更新邻居节点列表，减少了控制开销。4第三章人员门禁系统设计与实现3.1人员门禁系统总体设计本文设计的门禁系统采用无线通信技术，鉴于在１．３节分析了无线通信技术在无线传感网应用中的缺陷。因此本文从网络架构和功能架构两个方面分析系统：3.1.1架构框架设计为了较好避免无线网络在实际应用中的缺陷，系统整体架构采用有线与无线相结合的方式。在门禁系统中的实际拓扑图如图３－１所示图３－１无线门禁系统架构拓扑图3.1.2功能框架设计本文设计的ZigBee无线人员门禁系统基本功能框架如图3-2所示：内网分别由无线ZigBee模块和有线CAN总线模块负责组网并实现系统控制。无线ZigBee模块作为网络中节点进行数据传输和控制的无线接口，接入的功能模块主要有门禁控制点、转发节点、发卡器节点。总线模块作为架构中转发节点的互联媒介，一定程度上解决信号差和干扰的问题，以求让系统更稳定。外网则由模块和模块负责通信。此外系统中按键作为输入方式，输出方式5则有和客户端两种。图3-2无线人员门禁系统功能框架图3.2人员门禁系统硬件设计3.2.1网络控制器硬件电路设计网络控制器是系统的数据汇聚点，硬件模块如图3-3所示：图3-3网络控制器硬件模块图最小系统模块保证STM32芯片正常运行；电源模块采用开关电源LM2575-5配合线性电源AMS1117-3.3使用，以求电量损耗和价格的平衡。输入电压为，提供系统的电压为5V和3.3V；其中3.3V用于STM32处理器内核以及部分片上功能模块，而则5V给另一部分片上功能模块供电。网络控制器的存储部分采用SD卡，用于数据记录等待上位机查询。输入模块、输出模块以及其它的外围电路如时钟模块、模块等均是必备且比较常用，在这里不再赘述。下面对通信模块作详细描述。63.2.2以太网接口模块本系统采用STM32芯片与ENC28J60实现以太网通讯。ENC28J60是MicrochipTechnology(美国微芯科技公司)近期推出的28引脚独立以太网控制器。在此之前，嵌入式系统开发可选的独市以太网控制器都是为个人计算机系统设计的，如R