基于ZigBee的智能锁的硬件设计

基于ZigBee的电子门锁智能测控系统设计蔡杰【摘要】以RFID技术为基础，以ZigBee无线通信技术为核心，设计一套适用于集中式办公楼宇的电子门锁智能测控系统。

该系统具有IC卡开锁、开锁权限设置、自动记录开锁记录、远程开锁等多种功能，经测试，该系统实现了设计要求，从而保证了门锁系统的安全性，实现了对公共楼宇人员、房间、房卡等信息的融合管理，降低了成本，提高了管理效率。

%A ZigBee-based intelligent management and control systemof electronic lock for office buildings was designed with RFID technology. It has the functions of IC card unlocking, unlocking access setting, automati-cally recording unlocking and remote unlocking, etc. The test results show that it has achieved the requirements of security, and management with low cost and high efficiency.【期刊名称】《辽东学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(023)004【总页数】8页(P253-260)【关键词】电子门锁;RFID技术;ZigBee无线网络【作者】蔡杰【作者单位】辽东学院信息工程学院，辽宁丹东 118003【正文语种】中文【中图分类】TP277电子锁的研究始于20世纪30年代，随着电子技术和信息技术的发展，电子锁系统的发展经历了单一密码键盘电子锁系统、IC 卡电子锁系统、非接触式IC卡电子锁系统，以及最新的生物识别系统。

其中，非接触式卡使用隐蔽、方便，它不仅作为钥匙，还可载入多项个人信息，特别适合金融业注重“验明正身”的行业特点，而且一卡多用(如入门、开锁、存储、付费等)带来持卡人的便利。

基于物联网的智能门锁系统设计与实现智能门锁系统已经成为现代家庭的重要组成部分，随着物联网技术的不断发展和普及，越来越多的家庭开始采用基于物联网的智能门锁系统。

这种系统不仅提供了更高的安全性，还提供了更便捷的使用体验。

本文将介绍基于物联网的智能门锁系统的设计与实现。

智能门锁系统主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分包括门锁装置和相关的传感器设备，软件部分则负责控制和管理门锁系统的功能。

为了实现更智能化的功能，该系统还可以与其他智能家居设备进行联动。

在硬件设计方面，智能门锁系统需要采用高安全性的门锁装置。

传统的物理钥匙可以被人轻易复制，因此应该采用电子钥匙或者密码锁。

电子钥匙可以通过无线通信的方式与门锁进行配对，确保只有合法用户才能打开门锁。

密码锁可以让用户通过输入预设的密码来解锁门锁。

门锁系统还应配备相关的传感器设备，用于检测门锁的状态或者识别用户。

例如，可以安装门锁状态感应器，用于检测门锁是开启还是关闭的状态。

还可以安装人体红外感应器或者指纹识别器，用于识别合法用户并授权开启门锁。

在软件设计方面，智能门锁系统需要提供一套完整的功能。

首先，系统应具备远程控制的能力，用户可以通过手机应用或者网页来远程控制门锁的开启和关闭。

这样，用户就不需要携带实体钥匙，只需要通过手机或者电脑就可以控制门锁的状态。

其次，系统应提供智能锁定功能。

当用户离开家或者进入睡眠模式时，门锁系统可以自动锁定门锁，提高安全性。

当用户回家或者进入活动模式时，门锁系统可以自动解锁门锁，提高使用便捷性。

智能门锁系统还可以与其他智能家居设备进行联动，实现更智能化的功能。

例如，当用户开启门锁时，可以触发智能灯光系统自动打开室内灯光，提供良好的照明效果。

当用户关闭门锁时，可以触发智能门窗系统关闭所有门窗，提高安全性。

除了基本功能之外，智能门锁系统还需要具备良好的安全性能。

首先，系统应采用加密技术，确保传输的数据是安全的。

其次，系统应具备防止暴力破解的能力，例如设置密码错误次数上限，超过次数则自动锁定系统。

基于ZigBee技术的无线智能锁系统设计作者：蔡昌勇蒲虹桥朱静来源：《电脑知识与技术》2017年第28期摘要：随着人们对财物的保管意识的增强，许多银行金融机构增加了保险柜租赁服务，提供给客户保管贵重物品。

该文讨论的智能锁系统采用基于ZigBee技术的无线通信方式，可以对柜门的开关操作进行远程控制，实时监控柜门开关状态，并且在非法开启时能够发出声光报警，确保了保险柜的安全。

关键词：ZigBee；实时监控；节能中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0266-03Abstract： Many banks and financial institutions provide leasing services for customers to keep their valuables with the increasing awareness of the preservation of property. This paper discussed the lock system Based on ZigBee which is of excellent security， it controls and monitors the on-off state of the safe door remotely， and it has sound-light alarming devices when illegally opened.Key words： ZigBee； Real-Time Monitoring； Power saving mode1 概述近年来，随着生活水平的日益提高，人们对财物的保管意识越来越强，多数银行提供了保险柜租赁服务，很多人会将黄金，古玩、字画等收藏品存入银行的保险柜，一些保密机构和单位也会将印章，绝密资料等重要物件放入保险柜保管。

基于 ZigBee 的智能家居门禁安防系统硬件设计作者：杨晓艺来源：《科学与财富》2019年第20期摘要：本文提出了一种基于 ZigBee 的智能家居门禁安防系统硬件设计方案。

该系统的设计是在一个网关的基础上，将多个监控节点通过网络连接到一起，实现对安防的实时监测。

本文设计的网关包括控制器，GMS 通信模块，RS232 模块，协调器等。

该系统的特点是增加了生物特征识别模块和电脉冲检测装置，提高了系统整体安全性能。

随着社会的发展，一些社会不稳定因素也是越来越多，安防在人们的日常生活和工作中也显得尤为重要，在家居生活中，最主要的安防就是大门，现在的生活中，一般都是在大门上设置一个猫眼，但是猫眼无法很清晰地观察到门外的情景，只能作局部观察，无法实现较为安全可靠的安防。

针对上述问题，介绍了一种基于ZigBee 的智能家居门禁与安全系统的硬件设计方法。

0.引言门禁安防系统是基于视觉检测技术，利用互联网通讯将智能化与现代安全防护措施相结合，开发而成的一套安全自动化的管理系统。

在传统的门禁设备中，各个识别点传感器需要通讯线与终端进行连接，存在成本高、可靠性不高、维修复杂和更新难等问题。

如今，自动门禁系统主要使用计算机控制，传感器识别和无线传输等技术。

它广泛应用于国外的新型门禁系统，其中 Zig Bee 功耗低，安全性高。

低响应时间、低成本和有自组织和自愈性等优点在智能家居领域脱颖而出。

本文提出了一种新型门禁系统的设计方案，其中结合了 Internet 无线通信和机器视觉技术。

充分利用 ZigBee 的优势，设计智能家居访问安全系统。

1 系统概述1.1 ZigBee 技术简介20 世纪初，ZigBee 技术被称为 21 世纪十大最新科学技术之一，被科学家们预测为将是未来发展最快，具有广阔应用前景的科学技术。

ZigBee 是一种新型的无线通信技术，类似于WiFi 和蓝牙等短距离通信技术。

在待机状态下，干电池的电量就可以支持其工作数个月的时间，同时，它的制作成本很低，响应时间迅速，同时还具有非常高的安全性，被开发者所广泛应用。

物联网技术 ２０１４年　／　第９期 ５２0 引 言在信息产业快速发展的今天，嵌入式设备已经深入到了人类生活的各个方面，智能设备更是成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。

随着能源的日渐消耗，环保节能刻不容缓。

因此，在现在和未来的家居生活环境中，我们更需要一种高效节能的、智能的、绿色环保的智能家居安防系统。

1 智能家居安防系统的研究与设计图1是智能家居安防系统的整体功能框图和设计方案。

从图中可以看出，本系统可以分为3个部分，首先是底层的智能家居安防网络，这是整个系统的硬件部分，可以监测温度、光强、煤气、人体红外、门窗、灯光控制等。

在硬件部分的基础上市安防信息监控管理和Android 智能终端监控，这是整个系统的软件部分，主要是对从底层收集到的信息做出处理并给出控制信号。

本文主要研究底层的硬件设计。

图1 系统整体功能框图和整体设计方案2 系统硬件设计目前，无线通信技术在物联网的浪潮下发展迅猛，比如红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi 、近场通讯技术等，通过对这几种技术的研究与比较，本文最终确定选用ZigBee 技术实现本文的硬件网络系统。

从系统硬件设计的角度出发，每一个ZigBee 节点分为两个部分，一个是可以实现数据收发的核心部分，这部分必须要满足ZigBee 协议规范。

另一部分是实现供电、复位的底板。

所有硬件的核心就是整个硬件部分的逻辑图如图2所示。

图2 系统硬件逻辑连接图2.1 基于CC2530模块的ZigBee 节点的设计美国德州仪器TI 生产的CC2530是一种SoC 芯片，基于IEEE 802.15.4标准和ZigBee 协议规范。

图3所示是CC2530的射频模块电路，同时，TI 公司还专门为使用CC2530芯片的用户提供了整套的开发工具和Z-stack 协议栈，通过这个专用工具，用户可以节约大量的开发时间并且可以按照自己的想法开发自己的产品。

CC2530芯片本身就是一个非常成熟的芯片，同时功能也非常强大，用户只需要给其接入产品需要的外围器件就可以满足用户的开发要求。

图1 系统结构图2 产品外观但是功耗比蓝牙低，通过电池供电就能维持较长时间，适合传输数据量不大、传输不频繁的设备。

正因为Zigbee的功耗低和数据传输不频繁的特点，所以采用Zigbee无线传输技术。

2 系统结构2.1 智能门锁控制终端系统结构本文智能门锁控制终端内部包括：ZigbeeCC2530通信模块、RFID阅读器、按键键盘和19232显示液晶，处理器，以Zigbee协议栈为通信载体，此芯片射频组是在2.4GHz频段，电路图如图3所示。

CC2530芯片是最实用的片上系统首选，不仅成本低而且功耗也很小，是TI公司专门设计基于IEEE 802.15.4协议的Zigbee芯片，这块芯片上集成了8051内核，带有256 KB的内存和8 KB的RAM，足以提供智能门锁控制终端的信息处理与控制操作 [4]。

2）门锁控制电路图3 ZigBee芯片电路图图4 驱动门锁电路图5 RFID接口电路本文智能门锁控制终端所使用的机械门锁为灵性锁，灵性锁使用的是步进电机进行锁芯的伸缩控制，由于步进电机的工作电压是直流12 V，而CC2530的驱动电压为直流3.3 V，所以本文采用一个复合管电路进行门锁的控制，电路图如图4所示。

门锁驱动端口接CC2530的P2_0端口，作用是CC2530可以通过P2_0驱动门锁电路,发送一个低电压信号就可控制12 V驱动电机工作。

低电压信号控制高电压信号也可以采用继电器来进行驱动，但是本文为了门锁功耗、安全性能与门锁设计体积的考虑，采用复合管电路进行门锁驱动控制。

3）RFID读卡接口电路本文采用的RFID读卡器电路为RC522读卡器电路，射频识别技术是不需要接触就可以实现数据通信，它主要是通过交变的电磁场进行通信。

RC522读卡器电路是由阅读器、天线、应答器三大部分组成。

阅读器主要是用来读取应答器的信息；天线是在应答器与阅读器之间进行数据的传递；应答器主要由耦合电路元件和芯片组成，每一个应答器都有一个独一无二的ID码，这个码在芯片制作的时候就储存在芯片的ROM中，无法进行更改，智能门锁设计中主要就是利用这个编码来确认应答器的身份。

基于ZigBee技术的智能小区控制系统设计第1章前言11.1 ZigBee即使发展状况11.2 Zigbee技术应用领域及其特点 21.3 GSM技术简介4第2章系统总体设计方案 62.1 设计要求62.2 系统主机部分方案分析62.3 系统数据采集部分分析62.3.1防盗部分62.3.2气体传感器防火灾部分72.3.3防燃气泄露部分72.4数据传输部分7第3章系统硬件设103.1 传感器选取设计103.1.1 热电式红外传感器原理及说明103.1.2 气体传感器选取143.1.3 燃气泄露传感器173.2 ZigBee模块介绍 173.3 传感器与cc2430连接213.4 AT89C51功能介绍223.4.1 AT89C51主要技术参数223.4.2 功能特性概述 233.4.3 引脚功能说明 233.4.4 单片机外围电路设计 263.5 GSM模块273.5.1 TC35I简单介绍273.5.2 TC35I引脚介绍273.5.3 TC35I开发技巧 293.6 TC35I与T89C51连接图 293.7 AT89C51单片机与PC机串口通信29 3.7.1 串口电路293.7.2 一般说明30第4章系统软件设计314.1 软件流程图314.2 软件编程32致谢42参考文献 43第1章前言1.1 ZigBee技术发展状况在蓝牙技术使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。

对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信需求越来越强烈。

正因此，经过人们长期努力，ZigBee 协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成一个无线数传网络平台，十分类似现有移动通信CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间距离可以从标准75米，到扩展后几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有其它各种网络连接。

- 34 -信 息 技 术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。

目前,有线门禁系统仍占据市场较大份额,但由于成本高、维护困难且安全性较低,逐渐被淘汰。

物联网技术的发展大大丰富了安防监控、智慧城市以及智能家居等领域,而无线联网门锁作为物联网技术的一种,具有十分明显的优势。

利用门禁系统实时监控功能,有助于融合终端搜集数据,有助于人员考勤、重点监控以及进出流量,极为适合用于酒店、办公楼以及出租房等场所。

1 ZigBee技术概述ZigBee技术是在IEEE802.15.4的基础上无线通信技术的一个标准,主要分布于868MHz、915MHz以及2.4GHz频带中。

ZigBee技术能够促使网络设备长期处于休眠状态,从而降低功耗,即使是在两节电池的条件下也可以工作很长时间。

ZigBee技术特点主要包括如下三个方面[1]:(1)大容量。

ZigBee网络理论容量高达60000以上,且只要满足ZigBee协议标准的网络,还能够进行不同网络之间的网间通信,从而提高ZigBee网络容量。

(2)高安全。

ZigBee不仅选用AES-128加密算法,还提供CRC完整检查数据包,提供鉴权和认证,确保不同应用满足自身安全特性。

(3)可靠性高。

选用物理跳频技术,若网络通信拥堵难以正常手法数据,那么ZigBee网络可以切换到空闲信道中,从而提高抗干扰性。

APS实现应答回复功能,若没有得到应答,则需要重新传送。

2 系统设计无线联网门锁系统设备包括发卡器、无线联网门锁、无线基站以及上位机等,具体的系统结构如图1所示,主要分为三个部分,第一部分是门禁管理软件终端、无线基站和上位机之间的有线网络,通过TCP/IP协议通信,第二部分是门锁和基站之间的无线网络,统一接口,整合系统平台,快速获取所需数据,提高通信效率,第三部分是移动终端和上机位之间的wifi网络,通过wifi网络相互连接,并完成管理、查询等工作。

3 硬件设计3.1 基站设计作为重要的数据中转站,无线基站起到枢纽的作用,实现ZigBee无线网络和TCP/IP网络对转换,具备通信协议转换、数据交互以及无线组网等功能,具体包括储存模块、电源模块、微控制器以及以太网转串口模块。

一种基于ZigBee的联网型无线门锁系统设计应时彦;周泽育;梅一珉【摘要】Based on ZigBee wireless communication and Internet technology,a low power consumption of networked wireless access control system is developed.Wireless lock has the function of opening door with RFID card,data exchange,abnormal alarm and so on,the software of lock system management realizes the time synchronization,authorization management,parameter setting and battery monitoring for the networked lock.The mobile terminal management application can be used to realize remote monitoring.The most important feature of the system is to achieve the real-time networking and low power consumption of lock,which satisfies the needs of a safe and efficient networked wireless lock system.The test results show that the system is stable and reliable,and it has a high value to promote the application.%基于ZigBee无线通信与互联网技术,开发了一款低功耗的联网型无线门锁系统.无线门锁具有RFID卡片开门、数据交互、异常报警等功能,门锁管理系统软件实现对联网门锁的时间同步、授权管理、参数设置和电池监控,也可以通过移动端门禁管理应用进行远程监控.本系统的最大特点是实现了实时联网和门锁的低功耗设计,满足了市场上对安全高效联网型无线门锁系统的需求.测试结果表明:系统性能稳定可靠,具有较高的推广应用价值.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2017(045)002【总页数】6页(P153-158)【关键词】ZigBee;无线门锁;低功耗【作者】应时彦;周泽育;梅一珉【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023【正文语种】中文【中图分类】TP391“物联网”技术的迅猛发展，正在引导一场深刻的信息社会变革，在智能家居、智慧城市和安防监控等领域发挥了重要的作用，如面向物联网的突发事件应急物资的管理平台[1]、停车场管理系统等实际应用场景.无线联网门锁系统作为“物联网”技术的一个典型应用，更具有其独特的优点.目前，有线门禁系统在整个门禁系统市场中仍占有较高的配额，但由于其布线复杂、维护困难和成本高而逐步处于劣势；普通无线门锁虽省去了布线的困扰，但是无法实时监控门锁状态，安全性很低.无线联网型门锁系统是解决成本和安全的最有效方案，通过对数据收集、整合和分析，实时监控无线门锁状态.通过对门禁系统的实时监控，对门锁终端收集的数据进行融合，在估计人员进出流量、重点关口监控和人员考勤等方面表现出色，特别适合于宿舍、出租房、办公楼和酒店等场所.通过市场调研发现，由于无线门锁采用干电池供电方式工作，因此在持久工作续航方面也亟待改进.本课题将研究整个无线门锁系统的统一管理监控，通过对门禁系统的软硬件协同设计，深入研究ZigBee 无线通信技术，并实现门禁系统的超低功耗要求.无线联网门锁系统主要设备包括上位机、无线基站、无线联网门锁和发卡器等，主要管理平台有上位机网页端门锁管理软件和移动端门禁管理应用.无线联网门锁系统结构如图1所示，整个系统主要包含三部分网络结构：一是上位机与无线基站之间以及门禁管理软件终端的有线网络，采用TCP/IP协议通信；二是基站与门锁之间的无线网络，采用ZigBee无线通信技术.整合系统平台应用，统一接口，能够快速方便地获取所需的数据，提高系统通信效率[2]；三是上位机与移动终端构成的WIFI网络，移动终端通过WIFI网络与上位机建立连接，完成相应的查询、管理等操作.ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的无线传感网络技术，相比与蓝牙、WIFI 等其他的无线传感网络技术，在功耗方面ZigBee有优势，在使用电池供电的低功耗无线门禁系统中十分适用；其次ZigBee具有很好的抗干扰能力，可在较复杂的环境下工作[3-4].ZigBee网络拓扑结构主要包括星型、树形和网状三种拓扑结构.星型拓扑结构中每一个终端设备只能和协调器通信，具有结构简单、组网便捷和数据延迟小等优点，主要应用于结构轻便、节点少和通信范围小的数据采集环境中；树形拓扑结构的终端设备和其他设备通讯需要通过上一级设备代为接收或转发；网状拓扑结构是一种多跳传输的点对点网络结构，数据通过网络中的路由器相互路由接力转发，增大网络覆盖面积，具有自组织、自愈合和防碰撞的特点，其缺点是网络复杂、传输延时大，对路由器的数据处理能力要求较强[5-7].无线联网门锁系统可应用于宿舍、出租房、办公楼和酒店等场合.在这些应用环境中，由于房间数量众多，门锁分布集中、位置相对固定等特点，无线网络分布参数较为稳定，因此选择较为简单实用的星型网络拓扑结构.无线门锁作为ZigBee终端设备，无线基站则充当协调器负责整个网络的组建和管理.根据不同的实际应用环境，通过合理布置无线基站节点位置，保证所有无线门锁都能正常接入ZigBee 无线网络中.本系统不但要求实时联网，也必须满足低功耗要求.无线门锁在大部分时间CPU和各个工作模块都处于睡眠状态，仅当有任务时才唤醒CPU完成相应的工作.所以当ZigBee网络成功组建完成后，整个网络的活跃度将取决与来自无线门锁被唤醒时发出的数据请求.当基站接收到某个门锁的数据请求后，将数据再次打包封装后通过TCP/IP协议发送至上位机，由上位机决定相应的数据或命令的下达.门锁管理软件的数据库采用MySQL，HTTP服务器采用Apache Tomcat 8，使用B/S架构的Java EE平台开发，由单独的通讯软件负责完成与基站的通讯；对于每一个无线基站，创建一个线程来进行数据交互；各个基站反馈的数据由一个单独的后台线程来分析，呈现可视化数据分析结果并将数据同步到数据库[8].门锁管理软件通过TCP/IP协议访问各个基站，并保持与无线门锁的数据通讯，可完成门锁的时间同步、授权管理、参数设置和电池监控等功能，具有十分丰富的管理操作，适合门禁管理人员日常维护使用.而移动端门禁管理应用可实现状态监测、记录查询和远程控制等功能.本系统通过多种安全措施，保证人员和财产的安全：保存每次门锁进出记录，便于上位机进行查询；加强卡片权限管理，当非法卡多次试图刷卡开门后，记录卡号黑名单并触发异常报警；完善电池监控功能，对不同电压可选择不同工作模式，当电池低电时提示维护人员及时更换电池；当门锁没有关好时，将发出提示音，提醒人员进行处理.2.1 无线基站设计无线基站是重要的数据中转站，扮演了承上启下的角色，完成通信协议在TCP/IP 网络和ZigBee无线网络之间的相互转换，具有无线组网、数据交互和通信协议转换等功能，主要可分为微控制器、电源模块、以太网转串口模块和存储模块，其硬件结构如图2所示.以太网转串口模块采用嵌入式以太网串口数据转换模块，通信最高波特率高达230.4 kbps.电源模块采用K7803稳压芯片，可提供整个系统工作所需的电压.存储模块主要用于保存基站下管理的门锁列表、进出记录等重要数据，采用I2C总线串行存储器，掉电不丢失数据.CC2530微控制器具有低功耗8051微控制器内核，可满足2.4 GHz IEEE802.15.4，ZigBee，RF4CE应用.无线基站作为数据中转站：向下表现为建立ZigBee无线网络，负责与无线门锁的数据收发工作；向上则通过TCP/IP网络与上位机保持通讯，接收来自门锁管理系统的命令并准确发送至对应无线门锁，上传无线门锁的状态、进出记录等信息，保证门锁管理软件能够准确实时监测所有无线门锁的状态，便于维护人员对整个大楼房间的日常维护，其工作流程如图3所示.2.2 无线联网门锁设计无线联网门锁具备普通机械门锁的所有功能，还需兼备与无线基站之间的数据通信功能.因此无线门锁的硬件有微控制器、电源模块、RTC实时时钟模块、RFID读卡模块、存储模块、电机驱动模块和指示模块组成，硬件结构如图4所示.无线门锁采用4节干电池供电，电源模块采用低压差稳压HT7333芯片，提供整个系统的供电.RFID读卡模块使用非接触式13.56 MHz的MFRC522高集成度芯片，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本和低功耗的非接触式读卡芯片[9].基于MFRC522的读卡器，工作频率为13.56 MHz，读取ISO1443A标准的射频卡片[10].电机驱动模块的全桥电路由三极管构成，通过程序控制端口输出电平来驱动电机，带动锁芯转轴正反转从而完成开关门任务.为实现系统低功耗要求，上桥采用PNP三极管，下桥采用NPN三极管；由于微控制器输出最高为3.3 V，无法使得PNP 三极管完全截止，因此再增加一组NPN三极管.通过先控制NPN三极管来实现对上桥PNP三极管的通断控制.如图5所示，一共有4个端口共同控制全桥电路的上下桥通断状态.Left0，Left1为左半桥电路控制端，Right0，Right1为右半桥电路控制端：当Q3，Q8导通，Q4，Q7截止时，电机正转开门；当Q4，Q7导通，Q3，Q8截止时，电机反转关门，从而完成开关门的逻辑控制.CC2530微控制器包含2.4 G射频模块，同时采用5 cm的2.4 GHz短天线，封闭在锁具之内，保证正常的发射功率又能使整个门锁结构紧凑.RTC实时时钟模块采用PCF8563实时时钟/日历芯片，采用纽扣电池独立供电，芯片供电电路图如图6所示，可作为一个实时时钟进行计时；同时产生INT定时中断输出，用于唤醒CPU，实现低功耗.采用I2C通信协议，微控制器可通过SCL 时钟线和SDA数据线与时钟芯片进行通信.存储模块选用的AT24C256N的EEPROM，用于保存该门锁的重要数据，如卡片信息、进出记录等.指示模块包含蜂鸣器和LED灯两部分，面对不同情况时发出相应的提示信息.整体无线门锁硬件核心板实物如图7所示.在CC2530在电源管理中，可有五种不同的运行模式，分别为主动模式、空闲模式、PM1(Power mode1)、PM2和PM3.系统根据不同的任务切换不同CPU运行模式，以期达到最佳的性能和最低的功耗.主动模式是一般模式，而PM3具有最低的功耗.根据不同的任务切换不同CPU运行模式，并关闭相应外设模块，以期达到最佳的性能.优化程序算法以缩短CPU唤醒时的工作时间，最大限度降低功耗.如无线通信时，设置寄存器PCON=0x00，唤醒CPU工作，完成对无线基站的数据交互任务，并执行指定动作；当完成任务后，设置寄存器PCON=0x01，再次进入休眠状态等待下次唤醒.设置合理的读卡间隔，在保证能够正常读卡的同时，降低读卡模块的功耗，延长电池的使用寿命.软件工作流程图如图8所示.3.1 单片机端口设置低功耗设计要求系统在待机时，尽可能减少消耗的电流，单片机的端口必须设置在合理的模式.在无线门锁中，需要进行开关量(各个弹簧舌状态)的监测、电池电压测量和控制驱动三极管状态等.普通引脚在待机时，应该设置为高阻态模式，消除拉电流的影响.电池电压测量方案与一般分压测量有所不同，普通电阻分压法必然导致电流的损失，因此将分压电阻不直接接地，而是接到LED灯上.仅当LED灯点亮时，通过ADC采集电压值并换算成实际的电池电压值.各个驱动三极管在待机时也必须保持截止状态，如蜂鸣器输出引脚保持驱动三极管截止，降低系统功耗.3.2 读卡模式在系统调试中发现，相比于其他市面上的刷卡门锁，读卡模块部分功耗偏高，导致系统整体性能下降.因此，改进了识别IC卡的模式，每次读卡先只读取第0扇区前1，2个字节，判别是否为空字节.若是空字节，表明无卡靠近，系统立即进入休眠状态，等待下次定时唤醒；若不是空字节，表明有卡，再进行一次性读取卡中信息，读卡函数流程图如图9所示.因此，待机时大大减少一次性从第0扇区中读取的字节数，有效降低了读卡的功耗.通过再次系统测试，单位时间内耗电量明显下降，有效延长了电池使用寿命.经过测试，其休眠时静态平均电流约为12 μA，改进前后的静态平均电流对比如图10所示.与市面上存在的大部分无线门锁相比，降低了系统功耗，具有实用推广价值.3.3 通信测试模拟现场应用场景，完成实验室系统测试环境搭建：上位机通过5个无线基站，监控管理20道无线门锁.上位机通过开关门、远程授权和电池监控等所有基本操作，进行多把无线门锁的并发、冲突和稳定性测试.试验结果发现：多把无线门锁均可正确执行命令和实现监控管理，当通信产生冲突时将由数据重发机制保障通讯稳定性，系统鲁棒性较强.当上位机多条命令同时下达时，会存在通信时延，将进一步完善程序，达到更快速、稳定和安全的门锁监控管理.介绍了一种基于ZigBee技术的联网型无线门锁系统设计，探讨Zigbee无线组网和低功耗软硬件协同设计两个关键技术，完成了相应硬件电路与软件的开发及系统测试环境搭建.测试结果表明：系统所有功能正确，低功耗设计满足要求，门锁安全性较高，具有便捷灵活丰富多样的管理操作，便于门禁管理人员日常维护工作，具有很高的应用推广价值.【相关文献】[1] 王亚良，金寿松，董晨晨.应急物资储备选址与调度建模研究[J].浙江工业大学学报，2014,42(6):682-685.[2] 姚明海，陈占省，顾勤龙.基于REST架构的离散制造业物联网平台[J].浙江工业大学学报，2015,43(4):425-430.[3] 吴世通.基于ZigBee技术的无线门禁系统[D].苏州：苏州大学，2013.[4] 樊明如，樊欢.基于ZigBee的门禁系统[J].南阳理工学院学报，2013,5(6):18-21.[5] 陶遂.基于ZigBee技术的无线门禁系统设计[D].苏州：苏州大学，2012.[6] 王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.[7] HAN D M, LIM J H. Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE transactions on consumer electronics，2010,56(3):1403-1410.[8] 王金龙，应时彦，周泽育.基于ZigBee的无线联网门锁设计[J].物联网技术，2015,5(10):49-52.[9] 朱晓林.基于射频识别的嵌入式门禁系统设计[D].天津：河北工业大学，2007.[10] 陈杰，应时彦，朱华.基于MFRC522的RFID读卡器设计[J].浙江工业大学学报，2014,42(6):616-620.。

基于物联网的智能家居门锁系统设计与实现随着物联网技术的逐渐普及，智能家居产品也越来越多，其中智能门锁作为家居安防的重要一环越来越受到人们的重视。

智能门锁能够实现远程控制、密码管理、指纹识别等功能，为家庭带来更加便捷、安全的门锁体验。

本文基于物联网技术，设计并实现了一款智能家居门锁系统，让家庭更加智能、舒适、安全。

一、系统结构设计智能家居门锁系统主要由硬件和软件两部分组成，其中硬件包括门锁、电子控制板、无线网络模块、红外传感器等，软件则包括门锁控制程序、手机APP等。

1. 硬件部分门锁部分采用智能电子门锁，能够实现密码、指纹、卡片等多种开锁方式，并且通过红外传感器控制门锁的开关状态，确保门锁的安全性。

电子控制板则是门锁系统的心脏，它通过无线网络模块，将门锁系统连接至网络中，并集成多种控制功能，实现门锁的远程控制、密码管理等操作。

红外传感器可以感知门锁前方的情况，一旦检测到异常行为，就会发出警报，提醒家庭成员注意安全。

2. 软件部分门锁控制程序是门锁系统的核心，它通过自主开发的算法，实现密码、指纹、卡片等多种开锁方式的管理，同时可以实现远程控制、密码修改等多种操作。

手机APP则是门锁系统的配套软件，用户可以通过手机APP实现对门锁的远程控制、密码修改、管理等操作，还可以通过手机APP接收红外传感器发出的警报信息，确保家庭安全。

二、系统功能实现1. 多种开锁方式智能门锁支持密码、指纹、卡片等多种开锁方式，用户可以根据自己的需求自由选择开锁方式，实现更加便捷、安全的门锁体验。

2. 远程控制用户可以通过手机APP实现对门锁的远程控制，无需亲自到现场开锁、上锁，大大提高了生活便利性。

3. 门锁管理用户可以通过门锁控制程序实现对密码、指纹、卡片等开锁方式的管理，也可以通过手机APP实现密码修改、门锁管理等操作。

用户可以根据自己的需求自由管理门锁，确保门锁的安全性。

4. 红外传感器红外传感器可以感知门锁前方的情况，一旦检测到异常行为，就会发出警报，提醒家庭成员注意安全。