基于Zigbee的智能門鎖控制終端設(shè)計(jì)

作者 沈凡 席飛 杭磊 陳城 淮陰工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院(江蘇 淮安223001)

摘要：本文介紹了基于Zigbee通信協(xié)議的智能門鎖，從低成本、低功耗的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)用價(jià)值的智能門鎖控制終端，智能門鎖控制終端以CC2530作為處理器，以Zigbee協(xié)議棧為通信載體，設(shè)計(jì)了相應(yīng)外圍電路，如門鎖驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路和RFID讀卡器電路。實(shí)現(xiàn)了以RFID讀取卡號與密碼輸入的方式采集身份信息，將身份信息發(fā)送至上位控制機(jī)進(jìn)行身份核實(shí)，上位控制器返回核實(shí)信息結(jié)果，智能門鎖控制終端根據(jù)核實(shí)后的結(jié)果進(jìn)行開關(guān)門操作及液晶顯示頁面的更新。

0 引言

　　現(xiàn)代人的生活越來越信息化，人們對于生活質(zhì)量的要求也越來越高，家庭房屋安全就變成頭等大事，現(xiàn)在的犯罪分子盜竊手段也在日益進(jìn)步，入室偷竊也是頻繁發(fā)生，對于偷竊問題目前還很難做到完全杜絕，只能夠通過提升家庭安防技術(shù)，來提高安全系數(shù)?，F(xiàn)在市場上的一些智能門鎖設(shè)備，都是自帶處理功能的，很難抵御不法分子的盜竊手段。所以無線通信方式控制的智能門鎖應(yīng)運(yùn)而生，他的優(yōu)點(diǎn)在于不進(jìn)行數(shù)據(jù)對比處理，只做數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸，更為安全可靠，而且無線智能門鎖使用較為方便，不需要大量布線;而且可以和智能家居控制系統(tǒng)相結(jié)合，以提高家庭安防性能 ^[1-2]。

1 Zigbee技術(shù)

　　1.1 Zigbee無線通信技術(shù)

　　Zigbee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，其采用了IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范，具有低數(shù)據(jù)速率、低功耗、低成本、安全可靠，具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力等優(yōu)點(diǎn)。本文選用的是TI公司的第二代片上系統(tǒng)CC2530，相比以前的產(chǎn)品，CC2530具有更優(yōu)越的RF性能，支持多種協(xié)議如ZigbeePRO、ZigbeeRF4CE等。本文介紹的智能門鎖控制終端使用到CC2530作為處理器，用來驅(qū)動(dòng)液晶顯示電路、AD模擬鍵盤以及RFID讀取控制電路，以達(dá)到優(yōu)化智能門鎖的目的，從而降低成本。

　　1.2 Zigbee無線傳輸優(yōu)勢與其余方式的比較

　　本文采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線通信，是因?yàn)橄啾扔谒{(lán)牙技術(shù)而言Zigbee傳輸距離比藍(lán)牙遠(yuǎn)的多， WiFi相比Zigbee傳輸速率快但是耗電量較高，WiFi適合快速發(fā)送數(shù)據(jù)，而Zigbee相比于藍(lán)牙雖然傳輸速率慢，但是功耗比藍(lán)牙低，通過電池供電就能維持較長時(shí)間，適合傳輸數(shù)據(jù)量不大、傳輸不頻繁的設(shè)備。正因?yàn)閆igbee的功耗低和數(shù)據(jù)傳輸不頻繁的特點(diǎn)，所以采用Zigbee無線傳輸技術(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 智能門鎖控制終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文智能門鎖控制終端內(nèi)部包括：ZigbeeCC2530通信模塊、RFID閱讀器、按鍵鍵盤和19232顯示液晶，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　使用ZigbeeCC2530讀取RFID卡號與鍵盤輸入的密碼數(shù)據(jù)，將讀取的RFID卡號數(shù)據(jù)或密碼數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包，通過Zigbee通信模塊無線傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至終端設(shè)備，終端設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)對比信息至智能門鎖控制終端，用于是否進(jìn)行開門操作。液晶的主要是用于顯示使用者的當(dāng)前操作狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品如圖2所示。

　　2.2 硬件設(shè)計(jì)

　　1)Zigbee處理器電路

　　本文選用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256作為處理器，以Zigbee協(xié)議棧為通信載體，此芯片射頻組是在2.4GHz頻段，電路圖如圖3所示。

　　CC2530芯片是最實(shí)用的片上系統(tǒng)首選，不僅成本低而且功耗也很小，是TI公司專門設(shè)計(jì)基于IEEE 802.15.4協(xié)議的Zigbee芯片，這塊芯片上集成了8051內(nèi)核，帶有256 KB的內(nèi)存和8 KB的RAM，足以提供智能門鎖控制終端的信息處理與控制操作^[4]。

　　2)門鎖控制電路

　　本文智能門鎖控制終端所使用的機(jī)械門鎖為靈性鎖，靈性鎖使用的是步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行鎖芯的伸縮控制，由于步進(jìn)電機(jī)的工作電壓是直流12 V，而CC2530的驅(qū)動(dòng)電壓為直流3.3 V，所以本文采用一個(gè)復(fù)合管電路進(jìn)行門鎖的控制，電路圖如圖4所示。

　　門鎖驅(qū)動(dòng)端口接CC2530的P2_0端口，作用是CC2530可以通過P2_0驅(qū)動(dòng)門鎖電路,發(fā)送一個(gè)低電壓信號就可控制12 V驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。低電壓信號控制高電壓信號也可以采用繼電器來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是本文為了門鎖功耗、安全性能與門鎖設(shè)計(jì)體積的考慮，采用復(fù)合管電路進(jìn)行門鎖驅(qū)動(dòng)控制。

　　3)RFID讀卡接口電路

　　本文采用的RFID讀卡器電路為RC522讀卡器電路，射頻識別技術(shù)是不需要接觸就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它主要是通過交變的電磁場進(jìn)行通信。RC522讀卡器電路是由閱讀器、天線、應(yīng)答器三大部分組成。閱讀器主要是用來讀取應(yīng)答器的信息;天線是在應(yīng)答器與閱讀器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞;應(yīng)答器主要由耦合電路元件和芯片組成，每一個(gè)應(yīng)答器都有一個(gè)獨(dú)一無二的ID碼，這個(gè)碼在芯片制作的時(shí)候就儲存在芯片的ROM中，無法進(jìn)行更改，智能門鎖設(shè)計(jì)中主要就是利用這個(gè)編碼來確認(rèn)應(yīng)答器的身份。RFID讀卡器與CC2530接口電路圖如圖5所示。

　　RC522讀卡器部分只用了5個(gè)接口連接到CC2530芯片處理器，SDA是RC522的數(shù)據(jù)接口用來傳輸數(shù)據(jù)，連接在CC2530芯片上的P1_7口;SCK是RC522的時(shí)鐘接口，連接在芯片的P0_1口;MOSI是RC522的主輸出從輸入，連接在芯片上的P1_2口;MISO是RC522的主輸入從輸出，連接在芯片上的P0_4接口;RST為RC522的復(fù)位接口，連接在芯片上的P1_3口用來復(fù)位電路。

　　4)模擬鍵盤電路

　　本文為了節(jié)省端口數(shù)量，所使用的按鍵采用了分壓式模擬，電路圖如圖6所示。

　　當(dāng)不同的按鍵被按下后，輸出不同的電壓信號，使用Zigbee自帶的AD轉(zhuǎn)換器，采集電壓信號，根據(jù)不同的電壓值來判定不同的按鍵。根據(jù)計(jì)算可得，二極管鉗制了大約0.6 V電壓，一共13個(gè)200 Ω電阻，理想情況下，大約每個(gè)電阻分的0.2 V電壓，通過CC2530芯片P0_0端口使用AD轉(zhuǎn)換器功能將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號識別按鍵。

　　4)液晶顯示電路

　　本文中使用的液晶為19232液晶顯示器，液晶顯示器與CC2530之前采用的是串行傳輸?shù)姆绞?，硬件電路連接只需要3根線，與CC2530數(shù)據(jù)傳輸也只需要3個(gè)IO口，占用芯片的引腳少，接口6是液晶顯示屏的使能端，與CC2530芯片的P0_7引腳連接;接口5是液晶顯示屏的數(shù)據(jù)輸入端，與芯片的P0_6引腳連接;接口4是液晶顯示屏的時(shí)鐘輸入端，與芯片的P0_5引腳連接。并且可以通過調(diào)節(jié)RT可變電阻可以調(diào)節(jié)液晶的的對比度，使液晶顯示屏上的字更加清晰。

　　2.3 軟件設(shè)計(jì)

　　1)主流程設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，選擇IAR公司的IAR Embedded Workbench作為開發(fā)環(huán)境，智能門鎖控制端作為Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備作為一個(gè)協(xié)調(diào)器來工作。主程序流程圖如圖7所示。

　　首先進(jìn)行各個(gè)部分的初始化操作，如將液晶進(jìn)行初始化以及RFID讀卡器進(jìn)行模式設(shè)置等一些操作，初始化完成后;調(diào)用液晶顯示子函數(shù)，顯示歡迎光臨頁面，接著液晶會根據(jù)不同的狀態(tài)而現(xiàn)實(shí)不同的頁面。接著調(diào)用RFID讀卡程序與按鍵檢測程序，同時(shí)檢測讀取RFID卡號與密碼鍵入，當(dāng)讀取到RFID卡號或4位密碼后，發(fā)送身份審核數(shù)據(jù)包，并且等待上位終端返回審核結(jié)果，以執(zhí)行門鎖驅(qū)動(dòng)操作。

　　2)RFID讀卡流程設(shè)計(jì)

　　RFID讀卡流程圖如圖8所示。

　　RFID射頻卡放到讀卡器上時(shí)，則進(jìn)入讀卡程序。首先是開始尋找RFID卡，讀取RFID序列號，為了RFID的讀卡穩(wěn)定，在程序中設(shè)計(jì)了兩次尋卡過程，當(dāng)兩次讀卡號為相同時(shí)則會保存下來。同時(shí)為了避免多張射頻卡同時(shí)放在讀卡器上面時(shí)會數(shù)據(jù)碰撞，在尋卡結(jié)束后會進(jìn)行防沖撞檢測，當(dāng)通過防沖撞檢測后，則確認(rèn)為有效卡號，并將卡號打包成數(shù)據(jù)包后加密發(fā)送至上位控制器審核身份，等待返回信息，以返回信息來判斷是否進(jìn)行開門操作^[5-6]。

　　3)鍵值讀取流程設(shè)計(jì)

　　按鍵讀取程序程序設(shè)計(jì)由CC2530處理器不斷檢測按鍵AD端口的數(shù)據(jù)，判斷轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是否在有效鍵值內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果是則將數(shù)據(jù)保存下來，如果連續(xù)保存下16個(gè)相同的有效鍵值后，則可以確認(rèn)為按下了一個(gè)有效按鍵，等待4位密碼輸入完成后，將4位密碼打包成數(shù)據(jù)包加密后發(fā)送給上位控制器，等待審核信息，進(jìn)行開關(guān)門操作。

3 基于密碼本的數(shù)據(jù)加密技術(shù)

　　本文中為了提高安全性能，所使用的無線傳輸數(shù)據(jù)包是需要數(shù)據(jù)加密的，所采用的數(shù)據(jù)加密方式是基于普通加密方式上的一種升級版，是為了增加安防的可靠性而設(shè)計(jì)的，將Zigbee傳輸?shù)拇贏SCLL碼數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在我們現(xiàn)實(shí)生活中，普通的加密方式有很多，比如：移位加密、DES和CC2530自帶的AES等;本文采取的數(shù)據(jù)加密方式核心是基于同或及異或的一種加密方式，我們通過將數(shù)據(jù)所需加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的加密;所需加密的數(shù)據(jù)可以查詢密碼本得到，密碼本內(nèi)數(shù)據(jù)是通過外部軟件隨機(jī)獲得，寫入到ROM中，為了使加密的數(shù)據(jù)可以達(dá)到更高等級安全系數(shù)，密碼本的數(shù)據(jù)可以更加具有隨機(jī)性，或者可以進(jìn)行多次加密計(jì)算。

　　本文中所傳輸中的數(shù)據(jù)包是一個(gè)具有16位的字符型數(shù)據(jù)的數(shù)組，格式如圖9所示;其中包括5位發(fā)送者ID位、8位數(shù)據(jù)位、2位加密位和1位結(jié)束位(0xff)，加密位即是將5位發(fā)送者ID和8位數(shù)據(jù)位加密，加密程序如圖10所示，2位加密位本文中設(shè)計(jì)的是前者為同或加密，后者為異或加密，具體過程為：首先將同或加密位數(shù)據(jù)在密碼本中查找到真正的有效數(shù)據(jù)，本文采用的是雙重提取的方式提取數(shù)據(jù)，比如同或位為0時(shí)，我們在密碼表中查得數(shù)據(jù)為0x67，此時(shí)再次查找0x67位置的數(shù)據(jù)就是真正的有效同或數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)相同或后，再使用同種方式將后者的異或加密的有效數(shù)據(jù)取出，將同或后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行異或操作。操作完成后，即是加密后所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。解密方式即與加密方式是個(gè)相同操作，即可將數(shù)據(jù)還原。

　　本次密碼加密設(shè)計(jì)可以多種方式來提高安全性能，比如通過更改密碼本中數(shù)據(jù)位置提高安全性能，密碼本中一共有256個(gè)數(shù)據(jù)，即0x00～0xff;通過電腦軟件Excel將256個(gè)數(shù)據(jù)隨機(jī)排列，制作成密碼本，256個(gè)數(shù)據(jù)排列順序有256256的數(shù)據(jù)排列方式。還可以通過增加加密位來提高安全性能，本次設(shè)計(jì)只執(zhí)行了同或和異或兩次運(yùn)算，如增加加密位，再進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，可以在同或與異或的基礎(chǔ)上添置加減移位等一系列計(jì)算，會使加密更為安全。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)密碼或者射頻卡打開門鎖，為了能讓它低功耗又能減少浪費(fèi)資源，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)使用Zigbee與終端設(shè)備進(jìn)行通信連接，使用方便簡單，只需要對它軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，將Z-Stack協(xié)議棧導(dǎo)入到Zigbee核心芯片CC2530中，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間會實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，即可驅(qū)動(dòng)液晶顯示與RFID讀卡器進(jìn)行顯示與讀卡，而且根據(jù)分壓原理制作的AD式輸入鍵盤，優(yōu)點(diǎn)在于只需要一根線即可檢測鍵值，減少了不必要的資源浪費(fèi)。還有智能門鎖使用頻率較低，無線信號傳輸?shù)乃俾薀o需太頻繁，Zigbee無線傳輸足以滿足要求。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第46頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。