摘 要

随着人们安全意识的不断增强,门禁系统在日常生活中的应用日益广泛。传统的门禁系统,由于门禁节点在施工、部署、精度和成本方面的限制通常采用有线通信的方式,这样就造成布线复杂,施工量大,难以检修与维护等一系列问题。因此,对现有门禁技术进行改造与优化,设计新型智能门禁系统,有着非常广阔的市场前景。

本文设计了一个基于ZigBee网络的门禁系统,该系统由监控主机、路由器、协调器、门禁控制系统、射频模块、红外报警系统组成,采用TI公司的CC2530芯片,以及其提供的源协议ZStack作为组网通信协议,C#为开发语言,阐述了门禁系统的整体结构,分析了无线技术的协议框架与各个通信协议层的具体功能与实现方式,实现了对门禁系统的远程无线监控。该系统具有操作简单,布线方便,系统稳定等优点,满足用户日常要求并可以推广应用。

关键字：门禁； CC2530芯片； ZigBee技术； 无线通信

Abstract

With the increasing awareness of people's safety, access control system is increasingly widely used in daily life. The traditional access control system, due to the restrictions of construction, deployment, accuracy and cost of access control nodes, usually uses wired communication, which causes a series of problems, such as complex wiring, large construction volume, difficult maintenance and repair. Therefore, it has a very broad market prospect to reform and optimize the existing access control technology and design a new intelligent access control system.

In order to solve this problem, this paper designs an access control system based on ZigBee network, which is composed of monitoring host, router, coordinator, access control system, radio frequency module and infrared alarm system. It uses TI's CC2530 chip and its source protocol ZStack as network communication protocol, and C# as development language. The overall structure of access control system is described and analyzed. The protocol framework of wireless technology and the specific functions and implementation methods of each communication protocol layer realize the remote wireless monitoring of access control system. The system has the advantages of simple operation, convenient wiring and stable system. It can meet the daily requirements of users and can be popularized and applied.

Key words: access control; CC2530; ZigBee technology; wireless communication

目录

第1章．绪论 4

1.1 研究意义 5

1.2国内外研究现状 7

1.3 论文的主要工作和章节安排 8

第2章．系统方案设计 10

2.1 方案总体设计 10

2.2 应用zigbee技术的可行性分析 11

第3章．系统硬件设计 12

3.1 RFID模块介绍 12

3.2矩阵键盘模块 14

3.3 红外报警模块 14

3.4协调器介绍 15

3.5 CC2530芯片介绍 16

3.6 CC2530外设介绍 21

第4章．系统软件设计 23

4.1 ZigBee协议栈结构 23

4.2 网络构建 24

4.3主程序设计 25

4.4上位机软件设计 27

第5章．系统调试 29

5.1 实物图片 29

5.2 上位机系统界面 30

5.3系统调试 30

第6章．总结与展望 32

6.1总结 32

6.2展望 32

参考文献 34

致谢 36

附录 1: 电路图 37

第1章．绪论

1.1 研究意义

门禁系统与我们的生活密不可分，为我们的日常生活提供最直接的保护。门禁随着人们需求的不断提高，从最初的门闩到门锁与钥匙再到电子锁、密码锁、磁卡锁，经历了一代又一代的变革。它们在改善出入系统的管理方面，发挥了重要的作用。但是也存在许多问题，例如控制不够方便，安全得不到保障。磁卡容易消磁，容易被人复制等。

随着智能技术的成熟,门禁系统也得到了快速发展，出现了读取速度快、耐用性高、安全可靠感应卡门禁，例如IC卡、CPU卡。同时生物识别门禁系统也进入人们的视线，生物门禁系统通过人体生物特征进行识别，例如指纹门禁系统,虹膜门禁系统,AI人脸识别的生物识别门禁系统。它们在安全性,便利性,可管理性等技术体系中都有各自的特点,使得智能门禁系统适应范围更加广泛,有着非常广阔的前景。

传统的门禁系统支持以下功能。

(1)人员身份控制:设置卡的有效时限和范围权限,从而对出入人员的访问进行管理。

(2)访问级别模式和权限分配:在不同时间点,对安全级别有特殊要求时,设置相应模式并选择相应的接入点以形成访问级别。系统应为持卡人定义分配相应的访问级别。

(3)离线操作:在网路故障时,可以离线管理访问控制器,记录保存等功能,在网络恢复正常后,数据会自动上传。

(4)报警系统:防止非法用户强行闯入门。如果访问控制开关关闭,则非法入侵将发出警报。

(5)入站和出站记录保存:所有数据可以统一存储在服务器数据库中,它们可以根据不同的条件自由搜索,并且可以随时备份,以解决传统纸质文档难以找到并且难以长期保存的问题。

(6)实时监控:对接应用与实时视频监控系统。

目前为止，对于无线网络传输数据当中应用比较广泛的几个传输协议有以下几个：Cellular模块、WiFi模块、Bluetooth模块等等，其上述不同的传输协议都具有各自的具体领域。ZigBee技术是按照IEEE802.15.4协议进行应用的。在IEEE802.15.4协议当中，无线传输数据的通信功能既有以下几个特点：功耗较低，数据速率较低，能够进行短距离传输工作，成本较低等等。无线传输数据的通信功能目前应用于远程控制模式以及自动控制模式之下，且可以通过其自身的功能进行嵌入到不同的设备当中，并对于地理定位功能进行支持。ZigBee的命名和仿生学有关,Zig的英文含义是"之"字形,Bee意为蜜蜂。在仿生学中,蜜蜂传递信息的方式是通过特定的飞舞动作,向同伴传递信息,因此ZigBee的发明者形象的使用了蜜蜂传递信息的行为来命名了这一项无线通信技术,让人对抽象的ZigBee技术有直观的了解。

ZigBee技术具有以下特征:

较之其他技术来说Zigbee的能耗非常低。原因是END节点在切换模式（或处于非操作模式）的时候,就会进入到休眠状态,当有数据需要传输时,因为传输数据量小,传输速率较低,可以把系统活动时间控制在很短的范围内,从而大大减小了功耗。

成本很低。 ZigBee模块最开始生产成本仅为6美元,伴随着技术的成熟,它们的价格已经降至1.5美元至2.5美元。在普通的网络节点硬件上,可以应用8-bit MCU,其ROM最小为4k字节,最大为32kB。所选用的频率范围在世界各地都是不收费的,同时ZigBee也不需要版权税费。而且考虑到ZigBee协议设计简洁,因此研发和生产成本相对较低。

抗干扰性能好。 ZigBee技术的抗干扰特性主要是指反同信道干扰,即排除相同频段下的其他技术的干扰。 ZigBee结束应用到2.4 GHz频率范围内几乎不受工作环境的影响,显然可以与多种无线传输方式（如WIFI，bluetooth等）和微波炉等会产生电磁波干扰的常用家居可以共存。

安全系数高。因为ZigBee采用的MAC层应用talkwhen-ready中断处理方法,这样大幅度提升了整个设备通讯的安全系数。

与其他有线通信技术相比,ZigBee技术具有很大的优势,因此将ZigBee技术应用于门禁系统可以克服传统门禁系统的一些问题。在传统的访问控制系统中,通常有一个用于系统管理的PC控制机。PC主机是系统的"管理员",负责管理系统的运行,当PC主机出现故障时,门禁系统产生异常工作状态。以往的门禁系统只能由一个PC主机对一个控制器单独进行调控，主机之用于访问和调控控制器,监控主机和系统之间的连接通常通过串行电缆连接进行连接。接线麻烦,连接距离也有限,不利于后期级联和扩展。因此,ZigBee技术可以与传统的门禁系统相结合,通过ZigBee网络管理和控制门禁系统,并利用其技术优势弥补传统门禁系统的不足。

1.2国内外研究现状

现有的访问控制识别方法包括4种类型:

1.单键盘输入密码方式;

2.包括接触卡类型(例如,磁码卡,铁代码卡),联系IC卡,条形码卡等;

3.感应卡是非接触式IC卡,也称为射频RFIC卡,是使用无线电波进行读写的IC卡。与接触卡不同,RF IC卡不需要插入专用的读/写插座。只需在读卡器上摇动即可读取和写入它们。市场现在充斥着卡片,包括非加密存储卡。存储卡、安全卡,智能卡,超级智能卡,接触式IC卡,感应卡,线路IC卡,并行IC卡,混合卡,ID卡,磁卡等;生物识别技术。利用对人们独一无二的生物特征的识别，认证其身份，开发新型智能感应设备,如:人脸,指纹,虹膜,手掌,声音,五官轮廓甚至DNA,将这些生物信息传递给计算机进行信息处理识别。对于不需要记忆,丢失或被盗的用户,运用生物识别技术是很好的解决的方法。其中，指纹和掌纹识别通常用于具有高安全要求的门禁系统，自动指纹识别技术也是目前最成熟,最方便,最广泛使用的所有这些生物识别技术。

我国门禁系统研究起步较晚,建国以来由于工业化水平较低,门禁系统的发展停留在原始的门锁门栓等传统手段上,随着时代的进步,安全意识深入人心,门禁系统有了较快速的发展。目前,从控制手段来看,国内门禁系统主要包括密码门禁系统,射频卡门禁系统,指纹门禁系统,其中射频感应卡门禁系统最多,这也是人们日常生活中常见的出入控制方式,技术也较为成熟但仍缺乏创新和更加丰富的功能。虽然中国制造的感应式门禁系统价格普遍低于国外所生产的产品,但与他们相比竞争力较低,需要着重提高其技术性、安全性和应用范围。在需要极高的安全性和保密性的IC卡制造和读写设备方面,我国IC卡仍处于相对落后的状态,仍处于相对落后的状态,。目前,我国大多数门禁系统只能控制门的开关,但没有系统实时显示和控制门的状态,控制和安全。这种简单的控制虽然可以满足在需求较低的情况下的安全控制,但在一些安全级别要求较高的特殊场合,必须采用更安全的控制系统。但是,中国在智能门禁的发展道路上,已经呈现出长期而快速的发展趋势,有望把中国自主研发的门禁系统推广至全球各地。

国外门禁系统的使用起步早于中国,其受欢迎程度也高于中国。国外卡的应用相对较早。IC卡的发展更新了旧版的门禁理念,而且涌现了一大批制造商。英国德国以及美国的IC卡领域已经抵达了IC卡对于门禁系统的现代化时代,与此同时他们已经开始对IC卡以及门禁系统管理进行了尤为细致的划分,公司已经具有完备的工业生产体系与生产销售链。并且由于互联网和智能移动设备的普及,物联网在访问控制领域的应用正在迅速扩展,"智能家居"的概念伴随着现代化引领潮流。在众多要素发展阶段,门禁系统不仅具有控制人员接入的基本功能,而且还与视频监控,楼宇对讲,WIFI探测,安全预测,紧急报警等功能相结合。它形成了一个多层次综合新型的智能门禁系统,生产出新型的满足用户各种需求的产品。

针对国内外门禁系统发展现状,密码输入方式、接触式卡安全性较差,且较为落后,生物识别等新兴技术尚处于起步阶段,技术不够完善,且成本较高,所以本次课题选用感应读卡方式为主,同时采用多级别安全模式,添加密码输入方式辅助设计,通过ZigBee无线网络传输数据,控制门禁系统开关。N

1.3 论文的主要工作和章节安排

本次课题的所做的主要工作如下:

1.研究分析智能门禁的现状,设计一款基于ZigBee技术的智能门禁系统,决定是否让持卡人通行。

2.分析系统需要的传感器、控制器以及相关硬件并完成相关硬件搭建,编写程序并进行相关测试。

3.具有门禁系统的基本功能:让持卡人通行,具有出入控制,门禁级别定义级权限分配,数据保存,实时监控与报警等功能。

4.通过ZigBee网络,可以实时监控门禁的状态和持卡者的出入情况。一方面，门禁控制器的信息可以即时上传给监控主机，另一方面，监控主机可以直接对门禁进行控制，包括开关控制与身份控制。

根据论文的主要工作,论文的章节共分为六章:

第一章为绪论部分,主要介绍了本课题的研究目的和意义;介绍了门禁系统的基本组成以及ZigBee技术应用在门禁系统的优势;简单介绍了门禁系统国内外发展现状;介绍了本次设计所进行的基本工作。

第二章介绍本课题应用的技术方案,与采用ZigBee进行无线通信的可行性分析。

第三章介绍硬件设计部分,包括:各模块的介绍与选择原因,CC2530芯片的介绍,CC2530芯片的外围搭建。

第四章主要介绍本次设计的软件部分,介绍了ZigBee协议栈和本次设计的上位机的软件设计、下位机的软件设计,上位机采用C#虚拟仪器软件平台,下位机通过射频模块、报警模块、键盘模块组成门禁控制器,与CC2530芯片构成的协调器进行通信,具体软件编程以流程图为主来介绍。

第五章介绍实物整体以及实验中的调试结果,对实物操作进行演示。

第六章是对本次课题完成情况的总结,对尚存的缺点的分析以及对未来门禁发展情况的展望。

第2章．系统方案设计

2.1 方案总体设计

本次设计基于ZigBee技术。 ZigBee支持树形结构,网络结构和星形结构。每个网络结构都有自己的特点。在该设计中,系统的网络结构选取了树形网络结构。该系统由门禁控制器(ZigBee的终端节点),路由器,协调器和监控PC机组成。其结构图如下：

... ...

门禁控制器

门禁控制器

门禁控制器

路由器

路由器

协调器

PC机

图2.1系统结构图

在本次设计方案中,只采用了一个门禁控制器(终端节点)进行演示,如在实际生活中需要多个门禁控制器时,可以根据ZigBee系统自组网的特点,根据需要来设置多个门禁控制终端,无需对其进行配置即可自行入网。门锁的开关控制由系统通过门禁控制器实现。本次设计用到的芯片,采用TI公司专门针对ZigBee系统开发的CC2530芯片,适用于本次设计的门禁系统控制器、路由器与协调器模块。每个模块之间的通信方式是通过ZigBee无线网络连接和通信,监控PC机通过USB转TTL与ZigBee模块(协调器)连接和通信。

2.2 应用zigbee技术的可行性分析

ZigBee网络是一个短距离无线数据网络。数据传输模块类似于移动网络基站。因其是在IEEE 802.15.4协议下通信,所以通信距离并不长,但是仍可以通过信号放大等方式,扩大到十倍以上,最远可以到达800米,支持无限扩展。适用于自动控制和遥控控制领域。ZigBee技术有可以嵌入到各种设备的技术特性,虽然其信号传输速率慢距离较近,但考虑到门禁系统传输数据量很小,且一般门禁控制器与门卫所在管理室距离不远,所以ZigBee技术应用在无线门禁系统中尤为合适。

ZigBee网络模块终端,只要处于网络信号通信范围内,它们彼此便会自动搜索,就可以快速形成互联的ZigBee网络。在此期间,如果终端模块改变,原有的网络将会自动消失,他们之间的通信也随之发生改变。模块可以通过重新搜索通信对象,重组原始网络,确定它们之间的通信。在实际的工业领域中,由于各种原因,通常不能保证每个无线信道总是可以畅通无阻。此时,由于我们有多个频道,控制传输的数据仍然可以通过其他通道到达目的地。

ZigBee属于动态路由器模式。对于ZigBee路由模式而言是通过当前网络当中的可以应用的路径进行搜索，并且对于路径之间的关系以及距离远近进行分析，之后将距离最近的一个路径进行确认，之后进行数据传输工作，而不是通过程序进行设置的。运用"梯度方法"选择最近的传输路径并进行传输。如果遇到无法通过的情况,便会选择另外一条与最优解相比最近的的传输路径,依此类推,直到数据到达目的地。在实际的工业领域中,预先设定的传输路径并不一定连通,会因为各种情况随时改变甚至中断,或者因系统繁忙而产生网络拥堵无法及时传输。结合网络拓扑的动态路由可以很好地解决这个问题,并确保可靠的数据传输。

因此结合ZigBee技术的优势,在实际操作中,可以根据需要放置多个门禁控制器,PC机通过协调器发送数据至门禁控制器,实现对门锁的开关控制,并且可以稳定准确的进行传输。

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