Zigbee技术在智能门锁系统设计中的应用

蔡华辉

（品谱（厦门）工业有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

在当前电子技术和智能化技术不断发展的趋势下，智能门锁逐渐成为人们家装的主要选择。其门禁系统中应用了RF智能卡技术，具有加密强度大、不易被复制、防伪性较好、可靠性较高的特点，在现阶段正逐渐取代传统的机械钥匙门锁。同时在物联网技术发展的形势下，应用Zigbee无线技术可以实现对智能门锁的集中监控和管理，在宿舍、公寓酒店中具有良好的应用效果。

1 Zigbee技术

Zigbee技术是当前一种新型的无线网络通信技术，具有短距离、功耗低、安全可靠和底数据速率的特点，并且能够实现自组网，具有较强的自恢复能力。在智能门锁产品的设计中，应用Zigbee技术相比于其他产品，其RF性能更好，可以有效地驱动液晶显示电路和AD模拟键盘、射频识别（RFID）读取控制电路，保证门锁设计的智能化，尽可能地降低成本。利用Zigbee技术进行无线通信，具有较好的优势。相较于蓝牙技术来说，Zigbee技术的传输距离相对较远、功耗较低、电池维持时间长。而较于Wi-Fi技术来说，其耗电量较低，优势相对明显。

2 系统概述

2.1 系统组成

智能门锁系统主要由3个部分构成，如图1所示，分别是终端门锁、无线网关以及服务平台软件等。其中终端门锁是利用Zigbee无线通信技术将各种门锁信息发给无线网关或基于无线网关，将开锁白名单下发到终端门锁中，可以实现远程开锁。而无线网关则是基于Zigbee技术，做为终端门锁和服务平台之间的桥梁，是系统中必不可少的部分，也是实现远程监控和控制的关键。服务平台软件则是管理人员新增、删除、修改开锁白名单的程序系统，是强化智能门锁安全性和可靠性的重要保障[1]。

2.2 主要功能

智能门锁系统有5种主要功能。1）终端门锁按照其存储的开锁白名单，只允许在白名单行列的智能卡或密码开锁，对于非授权的智能卡和密码则无法开锁。2）终端门锁可以向服务平台上报智能卡的刷卡记录、关门和密码开门记录等信息。3）智能门锁系统管理员通过服务平台软件可以向终端门锁下发开锁白名单，保障开锁的便利性和安全性。4）同时系统管理员也能够在服务平台软件上利用管理员权限实现远程开锁。5）服务平台软件能够随时查看各个智能门锁的刷卡信息、开门关门信息以及非授权卡的刷卡记录等，具有较高的安全性。

2.3 工作方式

图1 智能门锁系统的构成

智能门锁系统中的终端门锁在工作中，主要是依靠地址和信道2组拨码开关，在合理地安装终端门锁后，则可以通过拨码开关来设置相应的门锁地址和其所使用的通信信道。而当终端门锁通电上锁后，则会向服务平台软件发出校时请求，校正时间后会进入休眠模式。另外一方面，智能门锁对RF读卡模块设置为定时1 s唤醒，从而可以进行低功耗寻卡，有利于识别用户的刷卡开锁行为。如果检测到所刷的智能卡在白名单中，就会控制开锁机构实现开锁，并将该条记录保存在终端门锁的存储器中。

而无线网关的工作方式则是负责将终端门锁和服务平台进行有效连接，其能够将无线数据报文转化为以太网数据报文，以便于门锁开锁信息查询。在实际工作中，为了保障信号的覆盖范围较广，在系统设计过程中通常会利用多个无线网关，并采用重叠覆盖的方式同时部署，当终端门锁上报开锁数据时，在其信号覆盖范围之内的无线网关可以同步接收到该门锁的数据报文，然后在经过协议转换，则能够有效地将门锁数据报文发送到服务平台中。其平台在接收到终端门锁的无线信号强度和数据报文后，会从多个无线网关中选择信号强度最好的一个对终端门锁进行回复反馈。

3 系统设计

3.1 终端门锁设计

终端门锁的设计是整个系统设计的重中之重，也是实现门锁智能化的关键基础。该设计过程中，对终端门锁主要包括硬件和软件设计2个方面，其中对于硬件的设计则是针对微控制器、门锁执行机构、数字按键或指纹模块、RF读卡模块和Zigbee无线模块等，在设计过程中要将终端门锁与服务平台软件的交互协议放置在Zigbee协议帧的数据中，并且终端门锁与无线网关之间要采用Zigbee技术标准协议帧进行传输，以保障数据报文的传输有效性。而对于微控制器的设计一般应确保其内置有实时时钟，有利于满足终端门锁利用实时时钟来发挥分时复用的功能。而且由于终端门锁基本是采用干电池供电，对它的休眠设置要求比较高，休眠电流较小，能够降低门锁的功耗，延长干电池的使用寿命。读卡器模块芯片的选择应考虑功耗相对较低的芯片，并在模块的内部集成低功耗自动寻卡和定时唤醒的功能，通常在寻卡的过程中不需要进行微控制单元（MCU）操作，成功寻卡后则可唤醒MCU。对于终端门锁的软件设计，需要保障门锁与服务平台之间的交互协议包括实时时钟校时、刷卡信息上报、唤醒报文上报以及开锁白名单下发和远程开锁等命令帧。充分保障终端门锁能够与服务平台之间形成良性交互[1]。

3.2 无线网关设计

无线网关的硬件设计则是针对带有网络接口的MCU、多路Zigbee无线模块和工作指示灯等，其中对于微控制器的设计则要满足同一个网关同时支持4通道Zigbee通信的需求。无线网关的软件设计主要内容是保障终端门锁与服务平台之间的Zigbee报文能够与以太网报文进行高效的转换。在实际工作中无线网关将转换后的数据报文交互协议利用以太网，发送到服务平台，然后其根据多个网关上报的信息帧，对信号强度进行剔除和选择，再选择通信质量相对较好的无线网关恢复终端门锁的报文，因此设计人员要尽量确保无线网关的报文转换工作符合系统的实际需求，有效连接门锁与服务平台，实现智能化门锁控制。其设计框图如图2所示。

3.3 服务平台设计

智能门锁服务平台的设计，一般包括模型层、视图层和控制层。模型层的作用是对应用程序中的数据进行处理，例如存取数据等。视图层是在模型层数据基础上创建的显示层。而控制层是平台的核心部分，主要负责用户的交互处理，通过控制器读取数据、控制用户输入，再向模型层发送数据，实现智能门锁的控制流程。在进行智能门锁系统的服务平台设计时，首先是在前端页面中设置用户登录、刷卡查询、授权、设置密码以及远程开锁等功能界面，并将用户产生的刷卡、开关门等流水信息储存在相应的数据库中。当平台系统管理登录后可以根据时间和名称查询相应门锁的刷卡记录。同时服务平台要与智能卡的读卡器相连接，以便于将读卡信息发送到指定的终端门锁，使其成为开锁白名单。

3.4 门锁控制电路设计

图2 无线网关设计示意图

门锁控制电路的设计主要采用灵性锁，即是利用步进电机对锁芯进行有效的伸缩控制，因为步进电机的工作电压采用直流12 V，而Zigbee处理器的驱动电压为直流3.3 V，因此应当对门锁控制电路设计为复合管电路，以保障对门锁进行有效的驱动控制。首先将门锁驱动端口接入Zigbee处理其的端口，以便于确定门锁电路，通过发送低电压信号，则能够使2V驱动控制电机开始工作。而低电压信号控制高电压信号可以采用继电器的方式形成驱动，并且为了降低门锁功耗、提高安全性能、减小门锁设计体积，应当设计复合管电路，保障门锁驱动控制具有实效性。

3.5 程序及流程设计

对智能门锁系统的主流程进行设计时，应当将Zigbee无线传输网络中的一个终端节点作为智能门锁的控制端，并配合终端设备实现协调。在该基础上，首先要对各个组成部分进行初始化操作，具体是将液晶和RFID读卡器进行初始化和模式设置，然后调用液晶显示子函数，从而显示欢迎页面。同时液晶会按照系统的不同运行状态而显示相对应的页面。然后在调用RFID读卡程序和按键检测程序时，能够同步检测出RFID的卡号以及密码键输入，一旦系统有效读取到RFID的相关信息，则会发送身份审核数据包，等待尚未终端反馈审核的结果，执行相应的门锁驱动程序和操作。

对于RFID的读卡流程设计，一般是要保障RFID射频卡放到读卡器上时，能够顺利进入读卡程序中。所以在具体设计过程中，相关人员首先应当设计RFID卡寻找流程，以便于能够准确读取RFID序列号，从而保障读卡过程的稳定性。所以在设计实践中，可以设计2次寻卡过程，当卡号读取一致时，则会进行保存。并且为了防止多张RFID卡在读卡器上发生数据碰撞，应在读卡结束后进行有效的防冲撞检测。如果检测通过，就会确认为有效卡号，并且将卡号打包成为数据包，再加密发送到上位控制器中进行身份验证和审核，根据返回的信息来判断是否执行开锁操作。

最后一方面是对键值读取流程进行设计，其主要是由处理器对按键的AD端口数据进行不断检测，有效判断是数据转换中是否存在有效的键值数据。如果存在则会保存数据，在连续保存16个相同的有效键位后，就会确认按下了一个有效按键，当密码输入完成后，将其打包为数据包，再加密发送到上位控制器中，根据返回的审核信息判断是否执行开锁操作。

4 系统性能

4.1 系统容量

在智能门锁系统中，一帧Zigbee报文的传输时间通常在10 ms内即可完成，而终端门锁和服务平台之间的交互需要2帧Zigbee报文。在考虑到数据出现丢包重传的情况下，系统分配到门锁的时间片大约为100 ms。另外终端门锁的唤醒上报周期为5 s左右，所以单个信道的Zigbee网络可以管理50个终端门锁，从而在采用4通道的Zigbee设计方案，则能够实现对200个终端门锁进行控制。并且由于Zigbee共有16 个可用网络信道，在不重复使用的情况下，对终端门锁的管理数量可以达到800个。

4.2 系统能耗

由于智能门锁系统的终端门锁休眠电流仅为6 μA，其工作电流大概是22 mA，根据其每5 s唤醒一次，其工作时间则在100 ms左右，如电池容量设置为2450进行计算，其系统使用时长为2450/[6×0.001×（5/3600）+22×（0.1/3600）]=20171300 s，转化为天数则是20171300/（3600×24）=233天。

4.3 系统安全

在应用Zigbee技术进行智能门锁系统设计时，安全性能是极为重要的，因此为了保障智能门锁的安全得到保障，主要是应用了基于密码本的数据加密技术，从而将无线传输数据包进行数据加密。实际上该种加密方式是在普通加密基础上的升级和优化，目的是提高安全防护的可靠性，原理是将Zigbee传输的串口标准信息交换码数据加密。而密码本数据加密技术是在同域及异域基础上实现的一种加密方式，所加密的数据可以通过密码本查询获得。而且密码本的数据一般是通过外部软件随机得到并写入只读存储器（ROM）中，从而保障加密数据具有更高等级的安全性，在设计应用中，密码本的数据具有较强的随机性，同时可以实现多次加密计算。在设计过程中，能够通过更改密码本中的数据位置确保密码安全性，通常情况下，在智能门锁系统中包括256个数据，从0×00～0×ff，借助计算机软件Excel可以对256个数据进行随机的排列，形成密码本，即会产生256256个排列顺序。并且设计人员为提高安全性能可以增加加密位，执行同域或异域2次运算，并基于加密位的增加开展运算工作，能够在其基础上进行加减位移等计算，进一步提高加密数据的安全性。

5 结语

综上所述，随着社会的不断发展，智能门锁在千家万户中得到了比较广泛的应用，其为人们提供了便捷的服务和功能。而为保障其实际作用的发挥，需要对其进行科学合理的设计。在实践过程中，对智能门锁系统的设计主要包括终端门锁设计、无线网关设计、服务平台设计、门锁控制电路设计以及流程设计等方面，应用ZigBee无线技术进行联网，则可以实现智能开锁。同时该系统的容量计算和使用时间计算以及安全性能等可以为具体实用场合制定合理设计方案提供参考，更便于实现门锁的集中监控和管理，推动智能门锁系统的进一步发展。