基于ZigBee技术的无线门禁系统设计.docx

DesignoftheWirelessAccessControlSystemBasedOnZigBeeAbstractThetraditionalaccesscontrolsystemsmostlyusewiredmediatotransmitinformation.Thiscausedlargeamountofengineeringandconstructiondifficult,complexphysicalconnectionbetweenthedeviceandnetworkreconstructiondifficult.Therefore,itisnecessarytoimproveexistingaccesscontrolsystemandconstantlytrynewtechnology,whichhasbroadmarketprospects.ThispaperdesignedawirelessaccesscontrolsystembasedonZigBeewirelesscommunicationtechnology.Thesystemiscomposedofanetworkcontroller,morethanonelocalcontrollersandPC-sideaccesscontrolmanagementsoftware.Thispaperdescribestheoverallstructureofthewirelessaccesscontrolsystem,givesdetaileddesignschemesofequipmentsandhigh-levelmanagementsoftware.Inthehardwaredesign,thelocalcontrollerusesTIcompany,sCC2530astheZigBeecommunicationchip,CC2591astheamplificationchip,andtheopensourceprotocolstackZStackprovidedbytheTIcompanyastheADhocnetworkcommunicationprotocoltoconstructthetreenetworks;ThenetworkcontrollerusesLM3S6965,oneofTsARMCortexM3serieschips,astheEthernettransmissionchip,andusesEthernetopensourceIwipprotocolstackdevelopedbycomputerscienceacademyofSweden.Inthesoftwaredesign,theC/Splatformareused.C#isusedfordevelopmentlanguageandSQL2005fordatabase.Theuserscontrolthesysteminthewayoftheclientaccessingtheserver.Itbasicallymeetstherequirementsoftheactualaccesssystems,andhasbeenusedintheactualapplications.KeyWords:ZigBee,Networking,WirelessCommunication,AccessSystemWrittenbyTaoSuiSupervisedbyLiYunfei第一章绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 领域相关知识21.2.1 无线传感器网络21.2.2 ZigBee介绍21.3 门禁市场的国内外现状31.4 本文研究内容41.5 本文章节安排4第二章ZigBee协议栈62.1 IEEE802.15.4标准62.2 ZigBee协议栈结构62.3 ZigBee网络拓扑结构72.4 ZigBee组网过程92.5 协议分配地址机制92.6 ZigBee路由协议112.7 本章小结12第三章无线门禁系统总体设计133.1 系统结构及工作原理133.2 硬件总体设计143.2.1 就地控制器设计143.2.2 网络控制器设计143.3 Pe端门禁管理软件总体设计153.4 本章小结15第四章门禁系统控制器设计与实现164.1 门禁就地控制器硬件设计164.1.1 无线通信模块164.1.2 信号放大模块184.1.3 电源模块204.1.4 继电器模块214.1.5 时钟模块224.1.6 读卡器模块234.2 门禁网络控制器硬件设计244.2.1 协调器模块244.2.2 以太网通信模块244.2.3 存储模块264.3 就地控制器软件设计274.3.1 系统初始化流程图274.3.2 主程序流程图284.3.3 组网流程图294.3.4 读卡流程314.3.5 其他事件334.3.6 命令处理354.4 网络控制器软件设计364.4.1 系统初始化流程图364.4.2 LWlP协议栈384.4.3 相关事件处理434.5 本章小结46第五章门禁管理软件设计475.1 管理软件总体设计475.2 TCP通信475.3 管理数据库设计495.4 管理软件功能模块设计525.5 本章小结56第六章应用实例576.1 桐泾商务广场苏州希格玛科技公司门禁系统概况576.2 门禁系统设计586.3 应用效果58第七章总结与展望607.1 总结607.2 无线门禁系统的应用展望60参考文献62攻读研究生期间申报的专利64致谢65第一章绪论1.1 课题背景及研究意义随着信息技术以及社会经济的高速发展，建筑物不断向着高层化、大型化、多功能化发展。它所采用的各种自动化设备种类日渐繁多，技术性能越来越复杂，单纯的人工管理已经无法胜任智能化建筑的需求。因此，在国际上，一种集4C技术（即ComPUter计算机技术、Control控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）为一体的，具有高度安全、舒适、便捷的智能建筑技术应运而生。而现代智能化建筑的最主要特征，就是具有智能化的电子安全防范系统。其中门禁控制系统就是其最重要的组成部分。图1/即智能建筑电子安防系统组成结构图。智能建筑电子安防系统巡更报警系统周界防范系统其它系统图1-1智能建筑电子安防系统所谓门禁系统，即出入口管理系统，它是集自动识别技术和现代安全管理措施于一体的，一种新型现代化管理系统。它涉及到电子、机械、光学、计算机、通讯、生物等诸多技术领域，是解决出入口安全的重要的、有效的措施，是维护建筑物安全的第一道防线。众所周知，现有的门禁系统大多采用有线通信。有线通信具有安全、稳定性好、易于设计等诸多优点，但是同时它也限制了门禁控制系统的发展。有线门禁系统安装工程施工量大，费用高；设备之间物理连接复杂，可移动性差；系统改造余地小，覆盖范围有限；维护费用高，对维护人员技术要求较大。随着科学技术的发展，无线通信技术逐渐走入了人们的视野。它容易安装，组网方便，即插即用，可移动性强，解除了传输线对通信网络的束缚。因此，人们将无线通信技术引入了门禁系统之中，产生了基于无线通信的门禁控制系统。可以预计，无线门禁系统将成为未来门禁系统发展的重要方向。1.2 领域相关知识本文所涉及概念和技术主要有无线传感网络和ZigBee技术。1.2.1 无线传感器网络无线传感器网络，它的英文全称为WirelessSensorNetwork,简称WSNo它是由大量的静止或移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线通信网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。大量的传感器节点采集数据，并传输到汇聚节点上，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。无线传感器网络的本质是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界相融合，改善人类与自然界的感知。1.2.2 ZigBee介绍ZigBee一词源于蜜蜂。自然界中的蜜蜂是通过ZigZag舞蹈在同伴之间传达花与蜜的位置、方向、距离等信息，因而藉此作为这个短距离无线通信新技术的命名。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，其突出特点是应用简单、功耗低、成本低、可靠性高。现有的无线通信技术主要有蓝牙、WiFi红外等，ZigBee无线通信与它们相比如表1-1所示：表1-1无线通信技术优缺点比较技术名称优点缺点蓝牙传输速率快，协议免费，支持语音传输，组网简单。通信距离短，功耗大，协议复杂，组网节点数少，系统的抗干扰能力不强，成本和集成复杂性高。WiFi传输速率快，使用现有网络，前向后向兼容。WiFi依赖TCP/IP作为网络层，规定了协议的物理层和媒体接入控制层，便携性良好但耗能高，大多数WiFi装置都需要较高的电能储备和常规充电，限制了其在工业场合的推广和应用。红外成本低，实现简单，安全性较强。不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度，只能在两个设备之间连接，-一般不应用于工业网络。ZigBee节点数多，可自组网，协议开源，工作频段可采用2.4GHZ工业频段，使用免费，功耗低。数据传输速率低。综合表1-1所述，ZigBee的技术特性决定它将是无线传感器网络的最好选择，可广泛用于物联网，自动控制和监视等诸多领域网。1.3 门禁市场的国内外现状随着经济的发展，社会上的贫富差距日益扩大，随之而产生的一系列的矛盾纠纷屡见不鲜，另外在某些特定地区，种族、宗教矛盾日益激化，安全问题越来越受到人们的重视，这也促使了世界安防市场的蓬勃发展。因为对外政策及反恐战争等原因，美国是目前世界上最大的安防需求市场。有研究表明全球大约27%的安防市场需求都在美国。与此同时，在中国，随着改革开放后经济的飞速发展，社会进入关键的转型阶段，治安问题越来越受到国人们的关注，人们对安防设备的需求日益迫切。中国持续不断的城市建设也为安防市场的发展提供了稳固的基础。因此有专家预测，不久的将来，中国将会成为继美国之后的世界第二大安防需求市场。而门禁作为安防领域的重要组成部分，在国内外都具有十分美好的前景。纵观国内外，门禁市场的发展情况也不大一样。目前在欧美，由于各大专业公司雄厚的财力、先进的技术、大份额的市场占有率等，己经呈现出垄断市场的趋势。同时各大公司不断扩大生产及相互之间激烈竞争也使得产品价格大幅降低，5000美元左右的门禁系统已经广泛运用于市场。近几年，欧美各大企业也已经注意到无线通信技术的发展，开始将资金投入到无线门禁系统的研发中来，并已有一系列产品问世。在国内，研究使用的门禁系统主要为感应门禁和生物识别门禁这两种。受技术发展及生产资金的限制，在生物识别门禁系统中，指纹识别的应用占大部分。在国内低端市场上，IC卡门禁系统占主流地位。经过多年发展，其技术已较为成熟可靠。国内对IC卡门禁系统的研究大多集中在有线通信门禁系统的研发，例如基于RS485总线及CAN总线等有线通信系统。这些系统大多应用到对实时监控和安全可靠性要求较高的场合。这样中心检测系统通过有线方式与底层控制器相连，可以实时获取门禁控制点的信息。但是采用有线连接，网络施工布线量大，施工难度大，线路复杂，对施工人员要求较高，故障点不易查找，安装及维护成本大大高于脱机门禁系统，所占市场份额还是少数。因此，如何实现中心管理系统对底层门禁点的有效控制已经成为近几年来的研究热点。能够研发出一款适合国内用户使用的低成本可靠门禁系统，将具有巨大的产业价值。1.4 本文研究内容本文对现有的各种门禁系统加以调查分析，提出了一种基于ZigBee无线通信技术的门禁系统。它取消了各控制器与上层通信的有线连接，大大降低了施工作业量；简化了设备间的物理连接，避免了因开墙作业对建筑物墙体美观而造成的不良影响；无专利费用，成本较低；选用工业用的2.4GHZ频段，不依赖于无线通信运营商；经过测试，安全可靠，完全满足现有用户的需要。1.5 本文章节安排第一章，绪论。论述了本文的研究背景和研究意义。了解了国内外安防市场现状及门禁控制技术的研究现状，表明了本文设计的门禁系统是可行的，有市场前景的。第二章，ZigBee协议栈。对整个ZigBee协议栈的体系结构进行一个总体的介绍，阐述了ZigBee网络的拓扑结构、组网过程、协议地址分配机制及路由算法等等。第三章，无线门禁系统总体设计。对整个无线门禁系统进行一个总体的讲述，阐述系统结构组成及工作原理。第四章，门禁系统控制器设计与实现。详细讲述就地控制器和网络控制器的硬件选型、功能、结构及相应电路设计和嵌入式编程及相应门禁事件处理的设计流程图。第五章，门禁管理软件设计。给出PC端门禁管理软件的设计方案。制定TCP通信的上下行通信协议、传输帧结构、软件流程图及数据库设计。第六章，应用实例。介绍该门禁系统在苏州市桐泾商务广场希格玛科技有限公司的应用情况。第七章，结束语。总结全文。第二章ZigBee协议栈2001年8月，美国HoneyWe11,Invensys,Mitsubishi,Freescale,Philips,Samsung,chipcom,ember等公司发起成立ZigBee联盟，现今已经吸引上百家公司加入。2004年12月，ZigBee联盟通过了ZigBee技术规范VLo版本,称为ZigBee-2004o2006年10月，联盟通过了ZigBee-2006规范。2007年10月，联盟通过了ZigBee-2007规Mu01o2.1 IEEE802.15.4标准为了弥补蓝牙、IEEE802.ll、HOMERF等短距离无线通信协议的不足，ZigBee联盟于2004年12月中旬推出了基于IEEE802.15.4标准ZigBee协议栈。IEEE802.15.4标准是针对于低速无线个人区域网(LOW-RateWirelessPersonalAreaNetworkXR-WPAN),把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准UL它满足国际标准化组织(ISo)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。IEEE802.15.4协议与其他无线网络相比，突出的优点是：组网能力强，适应面广，可靠性高，节能性好。2.2 ZigBee协议栈结构完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成U'具体如图2-1所示。I应用层III安全层IIII网络层IIIZigBee联盟L1二二一二二二二二二介质访问控制I层1物理层III正EE802.15.4工作科图2-1ZigBee协议栈ZigBee协议主要是由ZigBee联盟与1EEE802.15.4小组共同开发完成的，两者分别制订软件与硬件标准。其中，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定，联盟同时也肩负互通测试口久其中安全层(SeCUrity)主要实现密钥管理、存取等功能，以保证远距离传输数据时不会被其他节点获得；应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口(API),包括应用子层支持APS(ApplicationSub-IaygerSupport)>ZigBee设备对象ZDO(ZigBeeDeviceObject)等，实现应用层对设备的管理；网络层主要采用了基于Adhoc技术的网络协议，应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上川。IEEE802.15.4工作组制定底下的介质访问层和物理层。介质访问层为高层访问物理信道提供点对点通信的服务接口。物理层由射频收发器以及底层的控制模块组成。2.3ZigBee网络拓扑结构IEEE802.15.4和ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构:星型结构(Star)、网状结构(MeSh)和树形结构(Cluster-Tree)I51,如图2-2所示。图2-2ZigBee网络拓扑图1 .星型结构在星型网络结构中，由ZigBee协调器节点负责控制整个网络。由于没有其它路由节点存在，ZigBee终端节点直接与协调器通信。终端节点之间的通信需要通过中心协调器转发。这是ZigBee网络最简单的拓扑结构，但是缺点是导致网络通信范围十分有限，所以实际应用中很少单独使用这种拓扑结构。2 .网状结构在网状网络中，ZigBee协调器负责整个网络的建立和初始参数设定。网络的扩展必须通过路由器进行。每个节点之间采用完全对等的点对点通信，路由器不会定期发送信标，仅在网内设备要求时对其单播信标。完全的点对点通信使路由有多种选择，提高了网络的容错性，但是不定期发送信标使网络中节点很难达到同步，必须采取别的手段来实现，如广播。3 .树形结构在树形网络中，仍然由ZigBee协调器负责整个网络的建立和初始参数设定。但路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息，并且通常是基于信标的通信模式。其通信路由相对单一，主干网络中一旦有某一路由节点瘫痪，则对应区域就进入通信瘫痪状态，要等待该部分网络重组后，才能恢复通信。但是，树形网定期发送信标，使网内节点能做到很好的同步，便于节点定期进入休眠状态，降低功耗，延长网络寿命。本文根据实际门禁产品的需要，考虑到系统的实时性要求，采用了一种树形网络结构。它将终端节点和路由节点合二为一，作为门禁系统的基本就地控制点，网络控制器作为协调器节点，负责整个网络的建立与维护。4 .4ZigBee组网过程ZigBee中，网络的建立是由协调器节点来完成的。当需要建立一个新的网络时，协调器节点首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调器节点会选择一个PAN标识符用来标识整个网络。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络1。此后，若有另一个ZigBee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64bitIEEE扩展地址和一个16bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是IEEE802.15.4中的MAC短地址1。ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发现表，它可以参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其它节点来扩展网络。5 .5协议分配地址机制ZigBee有两种地址分配方式：分布式分配机制和随机分配机制。1 .随机分配机制随机分配机制是指一个新的节点加入网络时，其地址随机选择。在这种情况下新加入节点的其父节点会选择一个尚未分配过的随机地址赋予新的节点。一旦节点已分配一个地址，它将保留该地址，除非它收到声明，该地址与另一个节点冲突。此外，节点可能自己指派随机地址，比如利用加入命令帧加入一个网络等。2 .分布式分配机制ZigBee网络中每个ZigBee设备都拥有一个唯一的MAC地址。协调器节点在建立网络以后使用OXoOOo作为自己的短地址。在路由器（router）和终端（enddevice）加入网络以后，使用父设备给它分配的16位的短地址来进行无线通信。16位的地址意味着可以给65536个节点分配地址。地址的分配取决于整个网络的架构，整个网络的架构由以下这3个值决定1：（1）网络的最大深度（心阳）；（2）每个父节点拥有的子节点个数（Cin）；（3）第2条的子节点中有几个是路由器节点（Rn）o有了以上3个值就可以根据下面的公式来算出某父设备的路由器子设备之间的地址间隔CS杨3）：Rm=I时，CSkiP（d）=T+Cm，（Lm-d（2.1）1÷CRC,rLm-d-&X时，Cskip（d）=一且坦一（2.2）I-Rm上面这个公式是用来计算位于深度d的父节点和它所分配的子节点之间的短地址间隔。该父节点分配的第1个子节点地址=父节点地址+1,分配的第2个子节点地址=父节点地址+1+G种3）,第3个子节点地址=父节点地址+1+2XG即3），依次类推。以下则为新节点网络地址计算公式：4=Aparent+Cskip（d）R,t,+n（2.3）4为新的节点网络地址，A”还为父节点地址。如此每个节点之间的链路关系，我们可以通过分配的网络地址很容易判别出来，并且杜绝了地址分配的重复性。本系统采用的便是分布式分配机制。2.6ZigBee路由协议ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree、AODVjr.CIUSter-Tree+AODVjr等多种路由算法，支持星形(Star)、树形(CIUSter-Tree)、网格(MeSh)等多种拓扑结构。Cluster-TreeCluster-Treetl91(簇-树)是一种由网络协调器(COOrdinatOr)展开生成树状网络的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存储路由表。CIUSter-Tree协议地址分配过程为：第一个子节点地址为父节点地址+1,其他子节点地址均为相应父节点地址+G%,(d)。基于以上机制，Cluster-Tree采用如下路由选择机制：1 .若某个地址为A的节点收到的信息的目的地址为D,如果A<D<A+G切3-1),则说明此目的节点为其后代，A继续将此信息往其自身对应的子节点传输。否则将此信息交还给A的父节点。2 .若A+R/C切(d)<D<A+G即3-1)，则说明D即为目标地址,下一跳地址即为D。3.若A<D<A+RqG如3),则说明目的地址为A子节点中的某个，但不确定是否为下一跳地址，因此下一跳地址为n=a+i+"-04+Dc(d)。,d)频AODV协议AODV协议网即无线自组网按需平面距离矢量路由协议(AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting,AODV),是应用于无线网状网络(也称作无线mesh网络)中进行路由选择的路由协议，它能够实现单播和多播路由。该协议是AdHoC网络中按需生成路由方式的典型协议。AC）DV是反应式路由协议，当向目的节点发送信息包时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应路由。具体过程为一个网络节点要建立连接时，才广播一个连接建立的请求。其他的节点转发这个请求信息，并记录源节点和回到源节点的临时路由。到达目的节点时，就把这个路由信息按照先前记录的回到源节点的临时路由发回源节点。源节点选择最短跳数路由使用。为了保证网络性能，减少信息数量，该协议的每个路由请求都会有一个序号。节点使用这个序号以避免它们重复转发这个路由请求。AODVJR协议本系统比较ClUSter-Tree和AODV的优缺点，介于每个节点均为路由，是具有完整功能的设备，舍去了Cluster-Tree,采用了一种基于AoDV的简化路由协议AODVJRo与AoDV相比，它具有以下不同点】：1 .该协议简化了路由发现过程，没有目的节点序列号。规定只有分组的目的节点可以回复RREP,其他中间节点不再回复。2 .舍去了AODV中先驱节点列表，简化了路由表结构。3 .链路中断时，AoDVJR采用本地修复查询，不成功则发送RRER至分组的源节点，通知目的不可到达。RRER格式被简化成仅包括一个不可到达的目的节点。4 .该协议不发送周期性连接信息，仅根据收到的分组或者MAC层信息更新邻居节点列表。2.7本章小结本章分以下几个方面对ZigBee网络进行了相应介绍。（1）阐述了ZigBee网络的三种网络拓扑结构，对它们的优缺点进行了分析，说明本文所用结构的原因。（2）对ZigBee网络的建立过程进行了相关阐述。（3）对两种地址分配机制进行阐述，指明本文所采用的机制。（4）介绍ZigBee路由机制，对两种常见协议进行介绍，并分析优缺点，引出本文所有协议，并阐述不同点。第三章无线门禁系统总体设计门禁系统是一种以预防损失、预防犯罪为主要目的，用来保护人员和财产安全的现代化安防手段。目前市场上流行的门禁系统多为有线通信方式，即在这类门禁系统中，用户与底层控制器之间的信息交互是采用有线传输的方式进行的。当整个系统需要扩展、增加新的控制点时，采用有线传输的传统门禁系统需要花费大量的人力物力来开墙布线,耗时耗力。为解决上述问题，本文设计了一款基于ZigBee无线通信技术的门禁系统。3.1 系统结构及工作原理该系统采用底层门禁就地控制器，中间层网络控制器，最高层PC端管理软件的三层结构。底层各个门禁控制器自组成一个分布式网络，将采集的数据经过无线传输发送给ZigBee网络的中心控制节点一一协调器节点。网络控制器通过串口与协调器进行交互，将数据进行处理后通过TCP网络发送给服务器端的用户管理软件。门禁管理软件数据库服务器IP哲理员用尸应用管理层一:严七A网络控制器 D、 力无线自组网(S)-一无线自组网ZSB网络汇聚层就地控制器就地控制层图31无线门禁系统结构图图3-1中，各个门禁就地控制器之间相互组成树状网络，并且控制器自身可以作为路由节点，与设置在网络控制器内部的协调器节点组成ZigBee无线传感网络。网络控制器汇集整个门禁系统的信息，进行相应处理，通过传统的TCP通信与数据库服务器进行交互。在用户端，通过一个C/S架构的门禁管理软件对数据库进行管理就能很方便的对整个系统进行管理与控制。3.2 硬件总体设计3.2.1 就地控制器设计从就地控制器的功能方面考虑，本文将其分为无线接收核心板和功能扩展板两部分。无线接收核心板在完成必要的无线信号收发的基础上，腾出尽量多的GPlo管脚给外围设备使用。功能扩展板通过排针和核心板相连接，使得核心板上的MCU可以控制外围设备。外围设备包括读卡器模块、时钟模块、LED模块、手动控制模块、继电器模块、电源模块等。门禁控制器扩展板核心板ZigBee无线收发模块信号放大模块图32门禁就地控制器结构3.2.2 网络控制器设计网络控制器主要实现对门禁信息的存储中转作用，主要分为ZigBee协调器模块、TCP模块、电源模块、存储模块、串口模块、LED模块等。MCU通过串口与ZigBee协调器通信并通过TCP通信与PC端服务器交互。TCP通信模块IZigBee协调器| /网络控制器串口模块电源模块存储器模块图33门禁网络控制器结构3.3 PC端门禁管理软件总体设计管理软件运行环境为WindOWSXP系统，数据库为SQLSERVER2005,开发环境使用VisualStudio2005。根据对市场上门禁产品的基本功能的调研，本文将管理软件分为人员管理、卡证管理、系统管理和查询四个部分。人员管理：主要实现人员信息在数据库中的信息存储修改及相应数据的导入导出。卡证管理：实现IC卡的权限管理及对工作人员的发卡操作。系统管理：实现对门的开关操作，及门等级、属性等参数的修改。查询：查询所有门禁系统出入信息及非正常事件记录。设计系统的功能结构图如图3-4所示：图3-4高端管理软件结构3.4 本章小结本章给出了整个无线门禁系统的总体设计方案，并对软硬件设计部分划分了模块,为后面的硬件和软件的详细设计确立了总体框架。第四章门禁系统控制器设计与实现4.1 门禁就地控制器硬件设计门禁就地控制器是整个门禁系统最基本的控制节点，是无线门禁系统的重要组成部分。4.1.1 无线通信模块芯片选型每个门禁就地控制器都是ZigBee网络中的一个节点，因此，每个控制器最重要的部分就是无线通信模块。选取款合适的无线控制芯片对整个系统的设计至关重要。在无线控制芯片的生产商中，有TI、FreeSCale、ST、MiCrOChiP等公司最为著名，且稳定可靠。其中，ST和MieroChiP的产品仅提供无线收发功能，相应协议栈需要新增芯片实现。而Tl和Freescale的产品均具有完整的无线通信功能，但是Freescale的自组网协议需要额外收取费用。另外，Tl公司提供了完善的技术资料及完备的售后服务与技术支持，且价格适中，性能稳定，应用广泛，满足门禁产品要求。基于芯片稳定性、可靠性、封装体积大小及嵌入式开发环境的熟悉程度等方面考虑，另外根据最合适原则，本文最终选用了TI公司的CC2530芯片作为无线控制芯片。其主要功能特性如下12叫(1)具有一个2.4GHZ的、符合IEEE802.15.4标准的射频信号收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。(2)可编程输出功率高达4.5dBm.(3)采用6mm*6mm的QFN40封装，体积小。(4)功耗低，主动发送时电流为29mA,接收时为24mAo(5)采用三种供电模式，分别为唤醒、睡眠定时、外部中断，适合各种应用场合。(6)工作电压在2V到3.6V之间，范围十分宽广。(7)采用高性能和具有代码预取功能的低功耗8051内核。(8) 32/64/128/256KB四种版本的可编程FLASHo(9) 8KBRAMo(10)强大的5通道DMAo(11) 21个通用IO引脚，2个串口(12)具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC。本文采用的是256KBFLASH版本的CC2530芯片，其引脚图如下所示:9< L.xosowd ZqXWosOXRljd zld -IZd o1d 9，d SO>Q Tdnooa U U U Uu 1.1 U U Ij u m, 140 39 38 37 36 35 34 33 32 3%一RBlASMD4GND GND P1_5 P1.4 P1_3 PlN P1.1DVDD2二 一二二 一AVDD1 AVDD2RF_N RF_P AVDD3XoSCq2 XoSCql AVDD5图41CC2530引脚图CC2530最小系统电路设计最小系统指使MCU内部程序正常运行所必需的外围电路，主要包括系统电源与滤波电路、复位电路、晶振电路、调试写入接口等123)。本文中，单片机外接有两个晶振。其中，32.768K晶振用来保证单片机运行，32M晶振用作无线通信。原理图如下所示。 Cc Ols r-IId 9S A>A Idnoja sDVDn)CC2JNS5 SIH 二÷二三 OSm9II.tCQOVIH<TJVBVIMLl卞»3 & S S S图4-2CC2530最小系统4.1.2 信号放大模块芯片选型信号放大模块选用的是Tl为CC2530提供的专用芯片CC2591oCC2591是Tl公司推出的工作在2.4GHz,面向低功耗与低电压无线应用，集成度很高的射频前端芯片MJ。CC2591的内部集成功率放大器（PA）的增益为22dB,最大发射功率为+22dBm（输入+5dBm）,输出1dB压缩点+19dBm,接收部分内部集成的LNA分高低接收增益分别为11dBm、1dBm,噪声系数为4.8dB,接收灵敏度改善6dB0它集成了功率放大器、低噪声放大器、平衡转换器（balun）、交换机、电感器和RF匹配网络等。这种无与伦比的集成度显著简化了高性能设计工作，使设计者能用极少的外部组件开发出高输出功率的无线解决方案。经过实际测试，添加了CC2591信号放大电路，无线信号强度约增加为原来的5倍，有效地增强了CC2530的通信稳定性。下图即为CC2591引脚图，其中RF.N和RF_P为连接CC2530的射频接口，是无线数据收发通道。PAEN为放大使能信号输入口，EN为使能信号输入线，HGM为高能量模式输入口。这五个管脚与CC2530的5个管脚相连，使得CC2530可以通过控制CC2591来放大信号。<N1 QQXQzo m <SIQO><AVDD_PA1RF_NRXTXRF_PDZ)2)3)4UUUU16151413一一一一-1 12； I HUQFN-16 4x4mm (-I 10L u5678A A A AGNDANTAVDD_PA2GNDQZ0 SOT N山N山4d图43CC2591引脚图电路设计在设计原理图时，除了上述5个引脚与单片机CC253O之间相连以外，相应引脚还需接电源或接地，以设置这些引脚的高低电平及工作方式。另外，所有无线信号均是通过ATl引脚连上的天线发送出去的，无线信号极易受到其他信号的干扰，且大功率射频发生装置在发射信号时会产生强烈的高频电磁波，以空间辐射的方式扩散，影响到弱电回路，产生电磁干扰，同时有用信号与干扰信号的叠加会产生差模干扰，影响射频收发器的电平12习。因此本文在此设计了一个滤波器，只允许所需要的信号频率输出，对不需要的信号频率进行遏制，减少噪声，其中ANl引脚连接一个电感和一个电容滤波，然后接地，形成一个反r型低通滤波器，这样高频干扰信号就通过电容流到地线上。下图即为信号放大模块原理图，其中ATI引脚接了两个天线：一个为外接天线，只需使用2.4GHZ、50欧姆阻抗天线即可；另一个为板载天线，用于测试，但信号强度不如外接天线。本文将两种方式都保留在了PCB板上，只需根据需要焊接上相应电容即可使用。UJ图4-4CC2591接线原理图4.1.3 电源模块芯片选型由于就地控制器会连上门锁电源，因此电源模块只负责将输入的12V直流电压转化为3.3V直流电压，从而满足CC2530的正常工作需求。通常我们采用线性稳压电源转换芯片转换电压，其成本低，波纹少、应用广泛，但是存在的问题是很难直接将12V转换为3.3V,而且电源转换效率低，造成芯片发热量太大，影响电路稳定性及使用寿命。因此，基于成本和芯片散热的考虑，本文选用开关电源转换芯片LM2575S-5.0将12V转换成5V,然后提供给线性稳压芯片AMSl117滤波，最终转换为3.3V直流电压，减小电路发热量。电路设计原理图如图45所示，其中接入12V电源与地之间接上一个瞬态抑制二极管，使得超过16V的电压接入会被击穿，电流导入地线，以保护电路。开关