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