基于ZigBee的智能门锁系统设计.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第16期No.162023年8月Aug.2023收稿日期：2022-04-07稿件编号：202204049基金项目：国家自然科学青年基金（41904039）作者简介：贺云飞（1986），男，湖南株洲人，硕士，工程师。研究方向：物联网技术、嵌入式技术。随着电子技术的发展，家居的智能化已成为必然的趋势。智能门锁作为家居安全的重要“守门员”，其重要性不言而喻1。门锁的智能化技术核心在于门锁权限的控制和门锁状态的反馈，能够让用户实时掌控家里的门锁状态。采用无线通信技术控制终端门锁，其优势在于安装方便，不需要布线。ZigBee技术具有低功耗、低延时、低成本、网络容量大、安全性高等特点，并且能够实现自组网，具有较强的网络恢复能力，相较于蓝基于ZigBee的智能门锁系统设计贺云飞1，甘 雨1，2，肖国锐2（1.湖南北斗微芯产业发展有限公司，湖南 长沙 410000；2.战略支援部队信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450001）摘要：为了提高智能门锁的安全性，实现门锁的远程监控管理，设计了一种基于ZigBee的智能门锁系统。系统由终端门锁、无线网关、平台及用户终端组成，系统以CC2530芯片为核心，终端门锁作为终端节点，无线网关作为协调器，构建了ZigBee的无线网络，实现与平台的网络互连。用户可以通过平台下发控制指令，实现远程控制门锁，同时终端门锁能检测门锁的状态上传平台。试验结果表明，终端门锁休眠功耗低于20 A，电量消耗低，开锁成功率达95%以上，平台能够准确获取到门锁的状态，让用户实时掌控门锁的状态，具有一定的实用性。关键词：CC2530；ZigBee；智能门锁；物联网中图分类号：TN919文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）16-0006-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.002Design of intelligent door lock system based on ZigBeeHE Yunfei1，GAN Yu1，2，XIAO Guorui2（1.Hunan BDS MicroChipset Industrial Development Co.，Ltd.，Changsha 410000，China；2.Institute ofGeospatial Information，Strategic Support Force Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China）Abstract:In order to improve the security of intelligent door lock and realize the remote monitoring andmanagement of door lock，an intelligent door lock system based ZigBee is designed.The system consists ofterminal door lock，wireless gateway，platform and user terminal.The system takes CC2530 chip as thecore，terminal door lock as the terminal node and wireless gateway as the coordinator to construct ZigBees wireless network and realize the network interconnection with the platform.Users can issue controlinstructions through the platform to realize remote control of the door lock.At the same time，the terminaldoor lock can detect the state of the door lock and upload the state information to the platform.The testresults show that the dormant power consumption of the terminal door lock is less than 20 A and thesuccess rate of unlocking is more than 95%.The platform can accurately obtain the state of the door lock.Itis practical to control the state of the door lock in real time.Keywords:CC2530；ZigBee；intelligent door lock；Internet of Things-6牙、WiFi、LoRa等无线技术2-5，具有明显优势。该设计采用ZigBee技术实现智能门锁系统，功耗低、实时性高，对于酒店、宿舍等需要对门锁集中监控管理的场合提供了极大的便利6。1系统总体设计智能门锁系统由终端门锁、无线网关、云平台及用户终端组成，主要功能是检测门锁的状态，实现远程门锁的开关控制及管理。ZigBee网络采用星型网络拓扑结构，终端门锁作为终端节点，无线网关作为协调器7-8，系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图终端门锁通过 ZigBee网络连接到协调器，将检测到的门锁状态信息上传平台，同时终端门锁根据协调器下发的控制指令执行门锁的开关操作；无线网关作为终端门锁和平台的桥梁，通过以太网和平台连接，实现终端门锁和平台的双向通信，同时无线网关负责对终端门锁的安全性管理9。用户终端将终端门锁的地址和门锁的白名单下发给无线网关，终端门锁注册入网过程中，无线网关通过比对门锁的地址来控制门锁接入的权限，用户终端下发控制指令到无线网关，无线网关根据白名单进行匹配，在白名单目录内的才允许将控制指令转发给终端门锁；无线网关对终端门锁的在线状态进行管理，监测到终端门锁离线则反馈给平台。平台记录所有终端门锁、无线网关的工作状态，记录终端门锁的开锁记录等，做到用户终端实时掌控门锁的信息。2硬件设计ZigBee 网络终端节点和协调器选用 CC2530 片上系统作为ZigBee模块10，CC2530片上集成了RF收发器和增强型 8051 内核，在发射模式下，电流损耗低于 30 mA，休眠模式下低于 0.4 A，且主动模式和休眠模式的切换时间非常短，非常适用于超低功耗要求的系统。2.1终端门锁硬件设计终端门锁由 CC2530、电源模块、驱动模块、按键、AD转换电路等组成，如图2所示。图2终端门锁硬件框图终端门锁采用干电池供电，对整体功耗的要求高，门锁以 CC2530 的片内 8051 内核作为系统的微控制器10-11，微控制器通过 AD转换电路获取干电池的电压值，作为电池电量判断的依据；按键用作系统复位操作，通过按键操作实现微控制器自动复位；JTAG 接口用作程序仿真，仿真器使用 CC Debugger仿真器；串口用作参数配置调试；门锁锁体和微控制器之间通过五线进行连接，其中，三线分别是锁舌信号线、反锁信号线和开锁信号线12。锁舌信号体现锁体是否上锁；反锁信号体现锁体是否反锁；开锁信号体现锁体是否通过钥匙或指纹进行了开锁操作，微控制器通过读取信号线的高低电平来判断门锁的状态。另外两线是微控制器通过驱动模块和门锁锁体的电机相连接，实现电机的正反转控制，拖动锁舌实现开关锁操作。主控电路原理图如图3所示。门锁采用 L7010R 马达控制驱动芯片来驱动电机，L7010R是控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，CC2530 通过 MA+和MA-两个输出端口控制驱动芯片驱动电机正反转来实现开关锁操作。网络标签号 SUOSHE、MECKEY和 FANSUO 分别代表锁舌信号线、开锁信号线以及反锁信号线，这三根线和电机驱动信号线通过接线端子和锁体相连接，网络标签号DIANLIANG连接干电池，通过 ADC 采集电量信息，KEY 和 RESET 分别连接按键电路和复位电路。2.2无线网关硬件设计无线网关由CC2530、STM32F103RCT6、蜂鸣器、电源模块、以太网等组成，如图4所示。CC2530作为 ZigBee网络部分的微控制器，完成协调器功能，实现和门锁的无线通信；CC2530 通过串口和主控芯片 STM32F103RCT6 相连接。蜂鸣器作为提示音，提示终端门锁是否成功接入无线网关，方便用户对终端门锁的对接调试。无线网关和平台之间通过以太网相连接，考虑到无线网关供电的便利性，电源部分支持外部电源输入供电，也支持POE贺云飞，等基于ZigBee的智能门锁系统设计-7电子设计工程 2023年第16期供电方式；串口 2 用作无线网关的参数配置以及调试，图5是主控制器STM32F103RCT6原理图。图5主控制器STM32F103RCT6原理图以太网13采用 W5500 芯片来实现，W5500 芯片是一款集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，主控制器通过 SPI 接口控制 W5500 芯片实现网络通信，同时 W5500的工作模式定义了引脚和主控芯片相连接，主控芯片通过设置工作模式引脚的高低电平实现W5500的工作模式。3软件设计CC2530的软件开发提供了一套完整的 Z-Stack协议栈14，Z-Stack协议栈是一个基于时间片任务轮询方式的操作系统，Z-Stack的主要执行流程包括关闭所有中断、芯片外设初始化、芯片内部初始化、操作系统初始化、打开所有中断和执行操作系统。在任务轮询过程中，根据任务的优先级检测任务是否就绪，查询每个任务是否有事件发生，如果有事件发生，则执行相应的事件处理函数，如果没有事件发生，则查询下一个任务15。3.1终端门锁软件设计终端门锁作为 ZigBee网络中的终端节点，采用低功耗工作模式，执行休眠、唤醒、休眠循环的工作方式。终端门锁的主体软件流程如图6所示。终端门锁主要完成以下功能点：1）检测门锁状态；2）检测电池电压上报平台；3）执行协调器下发的控制开关锁指令。系统启动后首先对硬件和协议栈进行初始化，为了门锁的安全性，硬件初始化过程中，微控制器驱动电机默认处于门锁关闭状态。终端门锁检查图3终端门锁主控电路原理图图4无线网关硬件框图-8ZigBee 网络，尝试连接协调器，如果连接失败，则设置休眠时间，进入休眠状态，自动唤醒后重新尝试连接协调器，直到连接成功。如果终端门锁在多次尝试连接失败的情况下，系统调节休眠时长做到降低电量的消耗。在终端门锁成功连接协调器后，执行低功耗工作机制，周期性地从休眠当中唤醒后侦测有无事件要处理，若有事件要处理，处理完之后进入休眠，否则立即休眠，为了保证实时响应协调器下发的控制指令，系统每隔300 ms唤醒一次，进行事件侦测。系统每次唤醒后，都会检测门锁的状态信息，若门锁的状态发生变化，则立即将门锁的状态信息进行上报。电池电压的检测不需要频繁进行，每隔1 h唤醒检测一次。若系统在唤醒后侦测到协调器下发的控制指令，接收控制指令后，如果是开锁指令，则立即执行开锁，同时，为了防止门锁长期打开的安全性问题，系统在延时10 m后自动执行关锁指令。微控制器驱动电机的引脚 MA+为高电平，MA-为低电平则电机正转，驱动电机关锁；MA+为低电平，MA-为高电平则电机反转，驱动电机开锁，MA+和 MA-同时为高电平，则电机停止工作。微控制器在执行开关锁操作后，延时100 ms，然后再驱动电机停止工作。3.2无线网关软件设计无线网关的程序包括ZigBee协调器程序和主控程序。协调器程序由 CC2530完成，主要功能包括：1）建立ZigBee网络，接收终端节点加入网络；2）实现终端节点数据转发；3）实现主控程序的数据转发。协调器程序执行流程如图7所示。图7协调器程序的流程CC2530执行过程中不需要考虑低功耗机制，系统启动后，检测网络节点的入网操作，对于已入网的终端节点，CC2530 循环检测终端节点是否有数据，在接收到终端节点数据下直接通过串口转发给主控程序，同时 CC2530接收到串口数据后，自动采用无线方式发送给终端节点。主控程序由 STM32F103RCT6完成，主要完成以下功能：1）平台的数据通信；2）协调器的数据通信；3）平台、协调器数据的处理；4）终端节点的管理。执行流程如图8所示。图8无线网关主控程序的流程主控程序硬件初始化后，对协调器进行复位操作，启动协调器运行，主控程序根据配置的网络参数，采用MQTT通信协议16-17和平台相连接，MQTT协议使用发布/订阅消息模式提供一对多的消息发布，解除了应用程序的耦合。主控程序通过串口接收协调器转发的终端节点的数据，主控程序接收到终端节点的注册成功信息图6终端门锁的程序的流程贺云飞，等基于ZigBee的智能门锁系统设计-9电子设计工程 2023年第16期后，则将该终端节点标记为上线，同时通过蜂鸣器鸣叫一声进行提示，后续通过接收终端节点的心跳数据来判断终端节点是否在线，主控程序通过MQTT协议发布终端节点状态到平台。对于终端节点的电池电压、门锁状态等参数信息，主控程序接收到信息以后不做任何处理，直接通过MQTT进行发布。主控程序通过 MQTT 协议订阅相应的主题，接收平台下发的控制指令，对于接收到的控制指令，主控程序根据存储的白名单进行对比过滤，将合法的数据通过协调器转发给终端节点。4系统测试智能门锁系统实物图如图 9 所示，测试过程如下：首先给终端门锁和无线网关进行通电启动，无线网关的蜂鸣器鸣叫一声，说明终端门锁成功连接到无线网关，一段时间后断电重启无线网关，无线网关的蜂鸣器自动鸣叫一声，说明终端门锁在断开连接的情况下能够自动重连，反复试验，成功率达100%。图9智能门锁系统实物图利用 MQTT 网络调试助手，按照无线网关订阅的主题向无线网关下发开锁指令，终端门锁鸣叫一声，说明开锁成功，终端门锁在 10 s后自动关锁，重复试验100次，测试成功率达95%以上。在终端门锁串联电流表来测试功耗，终端门锁在低功耗休眠下电流为 20 A，终端门锁在唤醒发送接收数据瞬间电流达30 mA。5结束语通过对基于 ZigBee的智能门锁系统的设计，实现了终端门锁系统网络互连的功能，用户可以远程下发控制指令控制门锁的开关操作，终端门锁实时上传门锁的状态信息。通过验证测试，终端门锁静态电流小于 20 A，功耗极低，符合干电池供电的要求，同时开锁成功率达 95%以上，系统运行稳定，下发控制指令能够实时反馈，具有较好的实用价值。参考文献：1 李东林,古丽米拉 克孜尔别克.基于ZigBee的智能家居系统研究综述J.计算机时代,2019,6(7)：23-30.2 马海霞,高伟豪,曾超华,等.基于WiFi的无线智能门锁设计J.电子设计工程,2019,27(21):160-163.3 胡乃平,贾浩杰,袁绍正.基于IPv6和LoRa的智能门锁系统设计J.计算机测量与控制,2022,30(2)：252-256.4 常国权.基于“互联网+”的智能门锁控制系统设计J.现代信息科技,2020,4(17)：38-40.5 王梦坤.基于NB-IoT智能门锁系统设计J.佳木斯大学学报,2021,39(3)：62-65.6 陈剑栋,张林,彭国文.基于ZigBee技术的智能门锁系统设计J.现代信息科技,2019,3(14)：169-171.7 陈新奋,彭银桥.基于STM32和ZigBee的智能家居控制系统J.电子技术与软件工程,2019,8(21)：16-18.8 王燕平.基于ZigBee和微信平台的智能家居系统设计研究J.长春大学学报,2020,30(10)：25-28.9 杨威,王宇建,吴永强.物联网设备身份认证安全性分析J.信息安全研究,2019,10(5):918-923.10唐明星,李玲香,黄唐森,等.基于ZigBee的智能家居环境检测系统J.大众科技,2021,263(23)：1-3.11曹宁.一种新型ZigBee无线传输智能家居控制系统J.开封大学学报,2021,35(2)：84-90.12张启光.智能家居固件安全分析关键技术研究D.南京:南京邮电大学,2022.13梁海洁,陈娇英,陈延明.基于嵌入式ARM构架的智能家居控制系统设计J.广西大学学报,2021,46(1)：144-149.14陈光.基于ZigBee技术的数据采集终端设计J.数字技术与应用,2021,39(3)：132-134.15韩晓雨.基于STM32的智能门锁系统J.山西电子技术,2022(6):27-28,32.16郑璐豪,邓世杰,阳韬.基于ZigBee与MQTT的控制系统J.机电工程技术,2021,50(4)：43-45.17陈文艺,高婧,杨辉.基于MQTT协议的物联网通信系统设计与实现J.西安邮电大学学报,2020,25(3)：26-32.-10