基于物联网的无线门禁系统.docx

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基于物联网的无线门禁系统

摘要

深入分析了国内安防门禁系统的发展现状和社会需求后，我们设计了基于物联网的无线门禁控制系统。

本系统通过RFID射频识别技术对射频卡进行读写操作，使之赋予相应的开门权限，再通过zigbee无线通信技术将实时数据，如权限发送给各个门禁点，并且将门禁点的实时数据，如进出情况上传至管理中心统一备案管理。

整个流程由MSP430单片机作为主控芯片，协调各方面的工作。

本系统实现了管理中心对各个门禁点的完全无线的实时监控、管理和控制，并对各个门禁节点的人员出入情况作实时备案。

关键词：

门禁，zigbee，RFID，物联网，MSP430

Abstract:

WedesignawirelessaccesscontrolssystembasedontheInternetofthingsafteradepthanalysisofthestatusofdevelopmentandsocialrequirementsofthedomesticsecurityentranceguardsystem.

ItdoesreadandwriteoperationsontheradiofrequencycardthroughthetechnologyofRFIDtogivethecorrespondingopenaccessandsendthereal-timedata,suchasaccesstoeachaccesspointthroughthezigbeewirelesscommunicationsanduploadthereal-timedatas,suchasthestatementofinandouttomanagementcenterforunifiedrecordingmanagement.Themsp430willbetheMasterChiptodocoordinationofvariousworkinthewholeprocess.Thissystemrealizesthemanagementcentertoeachofthewirelessaccesspointcompletelyreal-timemonitoring,managementandcontrol,andtoeachentranceguardnodeofthepersonnelforreal-timeintherecord.

Keywords:

accesscontrols（entranceguard）,zigbee,RFID,ineternetofthings,MSP430

第一章前言

1.1国内门禁系统发展情况

1.1.1门禁系统诞生的社会背景

当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。

人们正感受着高科技给他们带来的极大方便和益处，同时，人们对于高科技服务于生活的要求也越来越高。

但随着科技的发展，也带来了许多不安全的方面。

例如，运用高科技手段进行盗窃、抢劫和间谍等万巳罪行为与日增多。

怎样才能使人们的安全防范措施跟得上科技的发展、更有效的阻止这些犯罪行为的侵犯呢?

仅仅依靠普通的门锁、防盗门或者监控、报警等系统是不够的。

于是智能门禁系统在千呼万唤中应运而生。

1.1.2门禁系统发展历程

传统的门锁仅仅是单纯的契合性机械装置，无论它的结构如何复杂坚固，一把在街头就可以配制的钥匙就能打开，并且不留痕迹。

如果钥匙遗失连带门锁也要一起更换。

为了弥补这些缺点，又产生了磁卡门禁系统。

用磁卡控制锁，各种性能均有所提高，但由于磁条存储的信息量小，磁卡与读卡器之间容易产生机械磨损，并且读卡器的刷卡口容易被人为破坏，它的安全性和可靠性便受到限制。

随着现代化经济建设和管理的发展，各种酒店、宾馆、写字楼、智能大厦、政府机关和企事业单位、高级物业管理部门等，对门禁系统的需求正发生着重大的变化，其核心是对门锁及其开启、关闭实现智能化管理。

电子门锁是近几年随着电子计算机技术，尤其是智能IC卡应用技术的提高发展起来的，随之而产生的接触式智能IC卡和密码键盘门禁系统也越来越被人们重视和使用。

电子计算机作为系统管理主机，通过联接系统的各个读卡器（即开门控制器）管理门锁。

智能IC卡具有存储运算功能，经初始化和授权后成为控制门锁开和关的特殊钥匙，从而便构成一个现代化的门禁系统。

但是随着接触式智能IC卡门禁系统应用规模的扩大，其本身不可克服的缺点成了它进一步发展的绊脚石，如接触磨损、难以维护、基础设施投入大等。

随着信息业和服务业的全球化，社会对信息载体的便携性、高安全性及容易使用等方面提出更高的要求，于是非接触式智能卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为智能卡潜力最大的新军而倍受业界瞩目。

非接触式门禁系统是当今最具有用在各种场合均有大量应用的机械锁方面；机电一体化控制处理模块，主要应用在各种独立的，安全防范级别要求不高，且无需随时检测系统运行的环境中；全电子型控制处理模块，是当今门禁系统的真实代表。

正是由于数字化的大量普及，高性能数字电路的不断完善，各种保护电路的不断改进，各种芯片的大幅降价，使得全世界的设计师有机会设计出性能千姿百态、结构不断推陈出新、性价比极高的优秀产品。

门禁系统所有的功能、概念、组态方式均是出自控制处理模块这一门禁系统的灵魂中心，它能充分地表现出门禁系统对安防工作以及对日常管理工作的真实贡献。

在读卡器及卡方面，由于磁卡、接触式IC卡对操作环境的要求较高，磁卡及IC卡本身的工作有一定寿命期，再加之识别过程中操作者的动作和所需时间明显多于非接触式卡，因而，虽然磁卡、接触式IC卡、读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡IC卡读卡器已在逐步快速地退出门禁系统市场。

势必将全面取代磁卡、IC卡市场的是目前发展势头正旺的非接触式D卡和IC卡。

非接触式卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，但真正形成大批量生产的厂家还只有美国；德国、英国次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次；中国还正在起步跟进。

1.1.3门禁系统发展现状

当今国内门禁系统发展现状基本可以分为两类。

一类未联网的门禁系统，该系统无管理中心实时监控管理各个门禁点，该类门禁系统结构简单，成本低廉，但是致命的缺点是为设计管理中心对各门禁点管理，其安全性能达不到大多场合的要求。

第二类是联网门禁系统，该系统实现了管理中心对各个子门禁点的监控和管理，但是由于现在无线短距离通信技术传输距离小，信号损失大，楼层穿透力不强等技术难关的制约，该类门禁系统大多是通过有线方式将各个门禁点与管理中心联系起来。

该类门禁系统由于其布线困难，维护困难以及成本高的缺陷制约了它的发展。

近几年出现了较为先进的半有线门禁系统，该系统将同楼层近距离之间的门禁点通过无线方式联系在一起，再将汇聚到改点的信号通过RS-485有线的方式上传至距离较远的管理中心，该类系统虽然减小了有线门禁系统的缺点，但是布线难、维护难、成本高等问题为从根本上得到解决。

1.2门禁系统的社会需求

1.2.1门禁系统社会需求

根据A&S安全杂志2008年底的“十大门禁品牌"评选中，共收到全国内门禁品牌近千家，产业规模年销售达1000万以上的企业却不足百家，70%的门禁企业厂商分布在珠江三角洲，根据广州千家网主办的2008年12月4日中国智能建筑品牌奖颁奖中，荣获2008年十大门禁识别系统品牌获的企业有（排名不分先后）：

DDS、西门子、深圳达实智能、门吉利、杭州立方、英格索兰、深圳捷顺、英特韦特、科松电子、欧品（OPEN）。

另外根据A&S杂志在2008年的十大品牌调查中，HID、捷顺、honeywell、科松、中控、DDS、披克、门吉利、GE、深圳达实智能，对比中70%的企业基本相同。

根据相关资料显示，2005-2006年在中国国内门禁市场中以RFID为主的门禁系统市场规模大约有25~30亿左右，指纹门禁系统约4亿元人民币。

根据相关数据统计，全国从事以安防门禁产品经营的企业包括系统工程商共有一万多家，在主营业务中包含"门禁"的企业数量2780家，含安防报警门禁业务1447家，分布情况，广东3857家、上海1452家、北京1139家、江苏796家、浙江632家、福建366家、山东349家、辽宁203家、湖北205家企业等。

近三年来智能建筑、厂矿企业、银行等领域的市场需求快速增，中国的安防门禁系统产品及配套设备市场的产业链实现了以每年20%~25%以上的快速增长，2008年中国安防门禁系统及配套（含身份识别的智能卡部分及电锁等）产业链市场规模将达到180亿。

1.2.2无线门禁系统的优势和难点

一、无线门禁系统的优势

由于现有的有线门禁系统有安装时布线困难，在发生突发情况后维护困难，以及成本高昂的缺点，制约了安防门禁系统在国内的发展。

为克服这些缺点而研制的无线门禁系统，有组网简单、成本低廉、节点维护简单、低功耗、灵敏度高的优势。

其必将取代传统有线门禁系统。

二、无线门禁系统的难点

目前适用于物联网的短距离无线传输都有一个传输距离短，信号对楼层的穿透力不强等技术难题，如底楼可能完全接受不到来自五楼的信号。

1.3基于物联网的门禁系统主要功能和特点

1.3.1主要功能

采用先进的RFID技术，将数据写入电子标签内并嵌入通行卡内，可以实现进出人员的准确、快速、自动的识别。

通过Zigbee无线通信技术将物联网管理中心数据传输到每一个门禁控制器并上传门禁控制器所反馈信息至物联网管理中心。

整个门禁系统包括物联网管理中心服务器（上位机软件）、Zigbee无线发射主从模块、RFID识别模块、微控制器、人机接口6个主干模块。

一、对通道进行权限管理

对通道进出权限的管理主要有以下几个方面：

（一）进出通道的权限

 就是对每个通道设置哪些人可以进出，哪些人不能进出。

（二）进出通道的方式

 就是对可以进出该通道的人进行进出方式的授权，进出方式由读卡+密码两种方式组成。

（三）进出通道的时段

 就是设置可以该通道的人在什么时间范围内可以进出。

二、实时监控供功能

系统管理人员可以通过微机实时查看每个门区人员的进入情况、每个门区的状态（包括门的开关，各种非正常状态报警等）；也可以在紧急状态打开或关闭所有的门区。

三、出入记录查询功能

系统可储存所有的进出记录、状态记录，可按不同的查询条件查询，配备相应考勤软件可实现考勤、门禁一卡通。

四、异常报警功能

在异常情况下可以实现微机报警或报警器报警，如：

非法侵入、门超时未关等。

1.3.2主要特点

一、远距离、强穿透力

为克服短距离无线通信技术的缺陷，本系统采用具有自组网功能的zigbee低速率、短距离无线通信技术。

经大量测试表明，CC2530射频单片机在最大传输功率下在空旷区域传输距离可达200m，在楼层之间信号传输距离在2层至3层之间，因为zigbee具有自组网功能，能组成“树状”、“星状”、“网状”的网络拓扑结构，利用“网状”拓扑结构可大范围扩展通信距离，利用路由器中转楼层之间信号可解决楼层之间信号传输损耗问题。

下图为zigbee组成的“网状”拓扑结构，其中黑点为协调器、红点为路由器、白点为终端。

图1-1网状拓扑结构

二、布线、维护简单

本系统采用无线通信技术实现物联，只需将各个zigbee节点模块安装在有效的通信范围内，上电后通过协调器发送组网命令，即可组成门禁系统网络，实现无线物联。

在管理中心可现实整个网络情况，如出现故障，可迅速发现问题的所在节点，只需维修或者更换单个zigbee模块即可，维护简单

三、安全性能高

系统采用密码以及射频卡双重身份确认的方式，提高了系统的安全性。

四、成本低廉

本系统采用的Zigbee模块、RFID读卡模块、MSP430单片机已经发展相当成熟，价格相对较低，且省去了大量布线和维护成本

五、低功耗

本系统才用的设备都是采用的低功耗产品，特别适合于电池供电的场合，如MSP430单片机就是一款专为超低功耗而设计的为控制器，zigbee模块在休眠状态只消耗0.1-0.4uA电流，在工作状态消耗20-30mA的电流。

第二章知识背景

本章将着重介绍在本门禁系统中所涉及到的关键技术的基本知识背景。

从基本定义、组成结构、发展状况以及应用领域等方面对zigbee无线通信技术、RFID技术、单片机技术作出一个基本的概述。

2.1物联网介绍

2.1.1物联网简介

物联网（InternetofThings，IOT）技术是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次带动新一轮信息技术革命的核心技术,其应用将涉及人类社会的各个领域,具有庞大的产业链。

因此，物联网产业将掀起新的产业浪潮。

在我国新近确定的“十二五”发展规划纲要中，物联网产业已作为我国重点培植的高新产业，将得到前所未有的跨越式发展。

2.1.2物联网的发展

目前，美、欧、日、韩等国家对物联网的研发开展得比较好。

美国自从2009年IBM推出“智慧地球”概念后，“智慧地球”框架下的多个典型智能解决方案已经在全球开始推广，以便实现更透彻的感知，更广泛的互联、互通和更深入的智能化。

美国非常重视物联网标准、体系架构、安全和管理等相关技术的研究。

而“物联网同样被正式确立为欧洲信息通信技术的战略性发展计划。

2008年，欧盟制定了物联网政策路线图；2009年发布了全球首个国家级物联网发展战略规划《欧盟物联网行动计划》，与此同时，欧洲各大运营商和企业也纷纷加强物联网应用市场的部署。

而日本的u-Japan战略和韩国的u-Korea战略，其理念都是希望通过无所不在的泛在网络技术实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，建立无所不在的社会，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。

在我国，自从2009年8月温家宝总理提出“感知中国”战略后，“物联网”迅速得到各界的广泛关注。

中国移动明确提出了物联网发展具备的三个特征：

一是全面感知，让物品会说话；二是可靠传递；三是智能处理。

目前各大电信运营商也纷纷将重点发展方向转向物联网。

我国的传感网标准化工作已经取得积极进展，初步形成传感网标准体系框架，向ISO提交的多项标准提案被采纳。

2009年11月1日，由多个政府部门、院校和企业组成的中关村物联网产业联盟正式成立，厦门、海南、无锡等地都开展了关于物联网的研究项目，建立了相关研究基地。

但就整体而言，物联网许多相关技术仍在开发测试阶段，而我国的物联网发展尚处于初创阶段。

表现在标准的自主制定、核心技术产品的研发和产业化以及规模化应用等都处于起步阶段。

2.2Zigbee无线通信技术介绍

2.2.1什么是Zigbee技术

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

2.2.2Zigbee技术的性能特点

一、低功耗。

在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持一个节点工作6~24个月，甚至更长。

这是Zigbee的突出优势。

相比较而言，蓝牙能工作数周，Wi-Fi可以工作数小时。

二、低成本。

通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了通信的控制要求。

按预算分析，8051的8位为控制器下测算，全功能的节点需要32KB代码，子功能节点则少至4KB，而且Zigbee免受协议专利费。

三、低速率。

Zigbee工作在250kb/s的工作速率下，可满足低速率传输数据的应用要求。

四、近距离。

传输范围为10m-100m之间，在增加RF发射功率后，可增加到1-3km。

这指的是相邻节点之间的传输距离，如歌通过路由和节点之间的接力，传输距离可以更远。

五、短延时。

Zigbee响应速度快，一般从睡眠转入工作状态只需要15ms，节点连接网络只需要30ms，从而进一步节省电能。

相比较之下，蓝牙需要1~10s、Wi-Fi需要3s。

六、高容量。

Zigbee可采用星状、片状、网状的结构。

一个节点管理若干个子节点。

一个主节点最多能管理254个子节点；同时主节点还可以由上一层网络节点管理，最多能组成65000个节点的大网。

七、高安全。

Zigbee采用3级安全模式，包括无安全设定，使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据和采用高频加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

八、免执照频段。

采用直接序列扩频在工业、科学、医疗的2.4G（全球）（ISM）频段。

2.2.3Zigbee无线传输网络简介

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。

ZigBee数传模块类似于移动网络基站。

通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。

而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

Zigbee无线传输网络先有三种拓扑图，“星状”拓扑结构、“树状”拓扑结构、“网状”拓扑结构。

如图：

图2-1星状拓扑结构

图2-2树状拓扑结构

图2-3网状拓扑结构

2.2.4Z-STACK简介

Z-STACK是TI公司开发的Zigbee协议栈，并且通过Zigbee联盟认可而为全球众多开发商所广泛采用。

Z-stack实际上是帮助程序员方便开发Zigbee的一套系统，他采用轮转查询式操作系统，包括两个主流程：

系统初始化和执行操作系统。

系统初始化完成后，就进入执行操作系统，并且在其中是一个死循环。

执行操作系统中主函数即为轮转式操作系统的主题部分，也是我们需要重点开发、调用、掌握的部分。

图2-4Z-Stack流程图

2.3单片机介绍

将中央处理器、存储器、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的计算机叫单片机，又称微控制器（MCU）。

2.3.1单片机特点

单片机有着自己的特点，主要有以下几个方面：

一、品种多样，型号繁多。

CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术。

各种性能，适用各个领域的各种单片机都很容易获取到。

二、提高性能，扩大容量。

集成度已达200万个晶体管以上。

指令执行周期减到数十微秒。

存储器容量RAM发展到1K、2K，ROM发展到32K、64K。

三、增加控制功能，丰富外部接口。

现今单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I／O接口外，还有A／D、PWM、UART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、SerialPort、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的计算机应用系统。

四、低功耗。

供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。

工作电流从mA级降到μA级。

这无不推进了单片机的发展，拓宽了单片机的运用领域。

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2.3.2单片机的应用

目前单片机已经在各个领域得到广泛运用。

大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用。

单片机因为具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。

2.工业控制的应用。

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

3.在家用电器中的应用。

现在的大量的家用电器的控制部分都采用单片机。

4.在计算机网络和通信领域中的应用。

5.单片机在医用设备领域中的应用。

2.4RFID射频识别技术介绍

2.4.1什么是RFID技术

射频识别RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

2.4.2RFID基本组成部分

标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

阅读器（Reader）：

读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。

天线（Antenna）：

在标签和读取器间传递射频信号。

图2-5RFID组成框图

2.4.3工作原理简介

RFID技术的基本工作原理并不复杂：

标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：

感应耦合（InductiveCoupling）及后向散射耦合（BackscatterCoupling）两种。

一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。

　　阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。

阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。

阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。

在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。

2.4.4RFID应用领域

◆物流和供应管理

◆生产制造和装配　　

◆航空行李处理　　

◆邮件/快运包裹处理　　

◆文档追踪/图书馆管理　　

◆动物身份标识　　

◆运动计时　　

◆门禁控制/电子门票　　

◆道路自动收费　　

◆城市一卡通的应用　　

◆高校手机一卡通的应用　　

◆仓储中塑料托盘、周转筐中的应用

图2-6RFID应用示例图

2.4.5RFID工作频段

目前，国际上常用的RFID系统大多工作在SIM（Industrial、ScientificandMedical）频段，即只提供工业、科研和医