基于ZigBee技术的无线门禁系统Word格式.docx
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21世纪初,各种恐怖袭击事件一次又一次震惊了世界,刺激了发达国家神经,而发展中国家虽然增长迅速,但贫富差距越来越大,社会公平度被日益诟病,导致了犯罪的猖獗,危及人身和财产安全。
人们对安全的日益关注推动了安防产业发展,同时也对安防产业提出了更高的要求。
此外,随着生活水平提高,住宅小区、写字楼、学校、企事业单位、政府部门等场所的安防事业的重要性显得越来越突出。
调查显示,美国是世界上最大的安防市场,占全球市场份额的。
随着欧美厂商将工厂东移,亚太地区的安防事业发展迅速且潜力巨大。
中国目前正处在社会的转型期,良好稳定治安环境显得格外重要。
门禁系统是安防系统中重要一员,在安防市场中扮演重要角色。
目前国内从事门禁系统有创一、北京青云、南泰等公司,产品主要为使用卡的有线门禁。
随着智能楼宇领域对智能化和安防要求的提高,对人员门禁系统提出了更高的要求。
由于无线技术、芯片制造技术、供电技术的发展以及人们对智能的日益热衷,一种新型的无线传感网技术使得实现门禁系统有了新的解决方案(无线智能门禁),并逐渐呈现智能化、无线化和功能集成一体化特点,弥补了门禁系统在某些无法布线场合应用的不足。
1.2门禁发展概述
本文研究门禁系统包括传统的人员门禁系统和车辆门禁系统(停车场管理系统)。
门禁系统即出入控制系统,基本功能是:
保证授权出入人员和车辆的自由出入,限制未授权的人员和车辆的进入,对于强行闯入的行为予以报警。
并可同时对出入人员和车辆的卡号、出入时间等数据进行登录和存储,以达到安防的目的。
除了以上共同点外,车辆门禁系统还需实现车辆定位和移动路径追踪。
随着人类安全意识的提高,从原始的棍棒和木叉,到铁锁等金属设备的形成,门禁概念慢慢形成。
但是传统门锁存在弊端(钥匙丢了则门锁也必须一起换,加大了成本和人力);
鉴于此,产生了磁卡门禁系统,提高了性能;
随着人们的使用,发现磁卡具有存储容量小、失磁容易以及磨损大等缺点;
为了弥补这些缺点,卡随之出现。
1.3ZigBee无线传感网技术
ZigBee是一种无线数传网络,数传模块类似于移动网络基站,通讯距离从标准的到几百米并且支持无限扩展。
其特点是短距离、低功耗、低复杂度、低数据率、低成本、自组织和高可靠,主要适合自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
的技术特性决定它将是无线门禁的较合适的选择。
ZigBee技术面临的问题目前典型应用中,一般采用树状拓扑如图1-3,随着应用的不断扩大,分支和子节点越来越多,节点数极限是大家关心的问题,例如在实现的协议栈中,网络地址为位,理论上可以有个节点。
然而,考虑到设备自身处理性能,在现实应用中远远达不到这个数目,一般一个协调器只能处理个左右的路由节点或终端节点。
如何在大型甚至超大型应用场合中使用技术是目前研究热点之一。
图1-3ZigBee树状拓扑如
此外,采用无线频率通信,不可避免的会遭遇通信距离瓶颈以及障碍物对信号的干扰影响。
目前市场上功率加成的模块在空旷地带下最远通信距离为,可靠通信距离为左右。
而存在障碍物时,通信距离将会更低。
复杂环境下可靠使用技术一直是无线传感网应用中的一个难题。
第二章ZigBee协议
ZigBee协议栈的网络层由联盟制定。
主要实现节点加入或离开网络、分配地址、发现路由及传送数据等功能。
基于低成本、低功耗、低复杂度的考虑,采用了Cluster-Tree+AODVjr结合的路由算法。
其中与自组网中的经典算法不完全相同。
准确的说,属于特殊应用下的简化版本。
2.1地址分配机制
ZigBee网络中,每个ZigBee设备都有一个的16bit网络地址和64bitIEEE扩展地址,其中后者是节点的唯一标示,类似于以太网中的地址和地址。
一个新节点加入网络(关联过程),父节点将会为其分配一个网络地址,分配分为动态分配和分布式分配。
为了杜绝地址分配的重复性,本系统采用的便是分布式分配机制;
详细分配机制如公式2-1:
(2-1 )
其中Lm表示网络的最大深度;
Cm代表每个父节点拥有的子节点个数;
Rm描述子节点中路由器节点的个数;
Cskip(d)表示深度为d的父节点与子节点之间的偏移量。
2.2AODVjr协议
AODVjr是一种AODV的简化版本,具备了AODV的基本功能,但考虑到低复杂度和功耗,与AODV相比,它具有以下不同点:
1.该协议减少了控制开销,简化了路由发现过程。
AODV取消了AODV中的目的节点序列号。
2.简化了路由表结构,去掉了AODV中先驱节点列表。
3.数据传输发生链路中断时,采用本地修复连接中断,不成功则发送至RERR分组的源节点,通知节点目的地不可到达。
AODV的RERR中包含多个不可达的目的节点,而的格式被简化成仅包括一个不可到达的目的节点。
4.AODVjr抛弃AODV中的周期性连接信息,仅根据收到的分组或者层信息更新邻居节点列表,减少了控制开销。
第三章人员门禁系统设计与实现
3.1人员门禁系统总体设计
本文设计的门禁系统采用无线通信技术,鉴于在1.3节分析了无线通信技术在无线传感网应用中的缺陷。
因此本文从网络架构和功能架构两个方面分析系统:
3.1.1架构框架设计
为了较好避免无线网络在实际应用中的缺陷,系统整体架构采用有线与无线相结合的方式。
在门禁系统中的实际拓扑图如图3-1所示
图3-1 无线门禁系统架构拓扑图
3.1.2功能框架设计
本文设计的ZigBee无线人员门禁系统基本功能框架如图3-2所示:
内网分别由无线ZigBee模块和有线CAN总线模块负责组网并实现系统控制。
无线ZigBee模块作为网络中节点进行数据传输和控制的无线接口,接入的功能模块主要有门禁控制点、转发节点、发卡器节点。
总线模块作为架构中转发节点的互联媒介,一定程度上解决信号差和干扰的问题,以求让系统更稳定。
外网则由模块和模块负责通信。
此外系统中按键作为输入方式,输出方式则有和客户端两种。
图3-2无线人员门禁系统功能框架图
3.2人员门禁系统硬件设计
3.2.1网络控制器硬件电路设计
网络控制器是系统的数据汇聚点,硬件模块如图3-3所示:
图3-3网络控制器硬件模块图
最小系统模块保证STM32芯片正常运行;
电源模块采用开关电源LM2575-5配合线性电源AMS1117-3.3使用,以求电量损耗和价格的平衡。
输入电压为,提供系统的电压为5V和3.3V;
其中3.3V用于STM32处理器内核以及部分片上功能模块,而则5V给另一部分片上功能模块供电。
网络控制器的存储部分采用SD卡,用于数据记录等待上位机查询。
输入模块、输出模块以及其它的外围电路如时钟模块、模块等均是必备且比较常用,在这里不再赘述。
下面对通信模块作详细描述。
3.2.2以太网接口模块
本系统采用STM32芯片与ENC28J60
实现以太网通讯。
ENC28J60是Microchip
Technology(美国微芯科技公司)近期推出的28引脚独立以太网控制器。
在此之前,嵌入式系统开发可选的独市以太网控制器都是为个人计算机系统设计的,如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C11l等。
这些器件不仅结构复杂,体积庞大,且比较昂贵,目前市场上大部分以太网控制器的封装均超过80引脚,而符合IEEE
802.3协议的ENC28J60只有28引脚,既能提供相应的功能,又可以大大简化相关设计,减小空间。
3.2.2.1
结构和功能
采用业界标准串行外设接口(SPI)的以太网控制器ENC28J60具有以下主要特征:
◆符合IEEE
802.3协议。
内置lOMbps以太网物理层器件(PHY)及媒体访问控制器(MAC),可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据。
◆具有可编程过滤功能。
特殊的过滤器,包括Microchip的可编程模式匹配过滤器,可自动评价、接收或拒收Magic
Packet,单播(Unicast)、多播(Multicast)或广播(Broadcast)信息包,以减轻主控单片机的处理负荷。
◆lOMbps
SPI接口。
业界标准的串行通信端口,使得低至18引脚的8位单片机也具有网络连接功能。
◆可编程8KB双端口SRAM缓冲器。
以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改,以减轻主控单片机的内存负荷。
该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。
3.2.2.2
硬件设计
ENC28J60的硬件设计需要注意复位电路,时钟振荡器,振荡器启动定时器,时钟输出引脚,变压器、终端和其他外部器件,输入/输出电平等几个方面。
(图l可供参考)2.1
复位电路ENC28J60有上电复位(Power-on
Reset)功能,RESET引脚上的低电平使ENC28J60进入复位模式;
RKSlET引脚内部有弱上拉电阻。
ENC28J60的硬件连接如图l所示。
图1ENC28J60
1)
时钟振荡器
ENC28J60需要一个25MHz的晶振,接在OSCl和OSC2脚上;
也可由外部时钟信号来驱动。
此时3.3V的外部时钟接在OSCl脚上,OSC2断开或者通过一个电阻接地来降低系统噪声。
2)
振荡器启动定时器
ENC28J60内部有一个振荡器启动时钟OST(Oscillator
Start-upTimer),上电7500个时钟周期(300μs)。
OST期满后内部的PHY方能正常工作。
这时不能发送或者接收报文。
上位机可通过检测ENC28J60内部ESTAT寄存器中的CLKRDY位的状态来决定是否可设置发送或接收报文。
需要注意的是,当ENC28J60上电复位或者从Power-Down模式下唤醒时,必须检测ESTAT寄存器中的CLKRDY是否置位。
只有CLKRDY置位后才能发送、接收报文,访问相关寄存器。
3)
时钟输出引脚
CLKOUT引脚可为系统巾的其他设备提供时钟源。
上电后CLKOUT引脚保持低电平,复位结束后OST计数。
OST期满后,CLKOUT输出频率为6.25MHz的时钟。
时钟输出功能通过ECOCON寄存器禁止、调整和使能。
时钟输出可设置为1、2、3、4、8分频,上电后默认为4分频。
ECOCON寄存器配置改变以后,CLKOUT引脚有80~320ns的延迟(保持低电平),然后按照设定输出固定频率的时钟信号。
软什或者RESET引脚上的复位信号不会影响ECOCON寄存器的状态。
Power-Down模式也不会影响时钟的输出。
当禁止时钟输出时,CLKOUT引脚保持低电平。
4)
变压器、终端和其他外部器件
为了实现以太网接口ENC28J60,需要几个标准的外部器件:
脉冲变压器、偏置电阻、储能电容和去耦电容。
差分输入引脚(TPIN+/TPTN-),需要一个l:
1变比的脉冲变压器来实现10BASE-T。
差分输出引脚(TPOUT+/TP0UT-),需要一个变比为l:
l、带中心抽头的脉冲变压器。
变压器需要有2kV或更高的隔离能力,防静电。
对变压器的详细要求请参考芯片手册第16章“电气特性”。
每个部分都需要通过2个50Ω、精度为1%的电阻和1个0.01μF的电容串联后接地。
ENC28J60内部的模拟电路需要在RBIAS引脚和地之间跨接1个2kΩ、l%的偏置电阻。
部分数字电路工作在2.5V,以降低功耗;
ENC28J60内部集成1个2.5V的调节器来产生所需的电压,需在VCAP引脚和地之间接1个10μF的电容保证供电的稳定性(该2.5V调节器不是为外部负载设汁的)。
所有的供电引脚(VDD、VDDOSC、VDDPLL、VDDRX、VDDTX)必须接在外部的同一个3.3V电源上;
同理,所有的地(VSS、VSSOSC、VSSPLL、VSSTX)必须接在同一个外部地上。
每个供电引脚和地之问应当接1个O.1μF的陶瓷电容去耦(电容要尽可能接近供电引脚)。
驱动双绞线接口需要较大的电流,所以电源线应尽可能宽,与引脚的连接尽可能短,以降低电源线内阻的消耗。
5)
输入输出电平
ENC28J60是一个3.3
V的CMOs器件,但它设计得非常容易统一到5
V系统中去:
SPI、CS、SCK,SI输入和RESET引脚一样,都可承受5V电压。
当SPI和中断输入与3.3V驱动的CM0S输出不兼容时,可能需要一个单向的电平转换器。
74HCT08(四与门),
74ACTl25(四三态缓冲器)和许多具有TTL电平输入的5VCMOS缓冲器芯片都可以提供所需的电平转换。
6)
LED配置
LEDA和LEDB引脚在复位时支持极性自动检测。
既可直接驱动LED,又可灌电流驱动。
复位时ENC28J60检测LED的连接,并按照PHLCON寄存器的默认设置来驱动。
运行过程中的LED极性转换直到下一次系统复位后才能被榆测到。
LEDB的连接比较特殊,在复位过程中检测它的连接,决定如何初始化PHCONl寄存器的PDPXMD位。
如果LEDB直接驱动LED,则PHCON1.PDPXMD位被清零,PHY工作在半双工模式;
如果LEDB吸收反向电流点亮LED,则PHCON1.PDPXMD被置位,PHY工作在全双工模式;
如果LEDB没有连接,则PHCONl.PDPXME)复位后的值不确定。
这时主控制器必须适当设置该位,以使PHY工作在所需的状态(半双工或全双工)。
3.2.3
SPI接口
SPI接口(Serial
Penpheral
Interface)是一种同步、全双工串行接口,基于主从配置,是一个4线接口
——主出/从人(MOSI).主人/从出(MISO),串行时钟(SCK),从机选择(SSEL)。
在同一总线上可以有多个主机或者从机,但同一时刻只能有一个主机和一个从机能够进行通信。
在一次数据传输过程中,数据是同步进行发送和接收的:
主机向从机发送1字节数据,从机也向主机返1字节数据。
数据传输原则上是全双工的;
但实际上,大多数情况下只有一个方向上的数据流包含有意义的数据。
SPI格式的主要特性是SCK信号的无效状态和相位,数据传输的时钟由主机提供。
常用的时钟设置基于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数,CP0L定义SPI串行时钟的活动状态,而CPHA定义相对于从机输出数据位的时钟相位。
CPOL和CPHA的设置决定了数据取样的时钟沿。
取决于CPOL和CPHA的设置不同,SPI共有4种模式,如表l所列。
表1SPI的4种模式
SPI模式
CPOL
CPHA
说明
0,0
静态时SCK为低电平,数据在第1个时钟跳变沿被捕获
0,1
1
静态时SCK为低电平,数据在第2个时钟跳变沿被捕获
1,0
1,1
3.2.4
ENC28J60与单片机的连接
ENC28J60与微控制器MCU的连接是通过SPI实现的,支持10
Mbps。
对干没有SPI接口的芯片可通过用I/0口模拟SPI接口的方式实现。
ENC28J60仅支持SPI模式O,O。
微控制器可通过SPI接口发送命令,访问ENC28J60的寄存器或读写接收/发送缓冲区,完成相关操作。
复位也可通过SPI接口由软件实现,软件复位不影响RESET引脚的状态。
ENC28J60有两个中断输出,分别用于事件中断触发和网络唤醒主机。
CPU采用LPC2138用宏定义实现SPI口读写操作。
SOSPDR为SPI数据寄存器,该双向寄存器为SPI提供发送和接收的数据,发送数据通过写该寄存器提供,SPI接收的数据可从该寄存器读出。
SOSPSR为SPI状态寄存器。
在对SPI接口进行操作之前需对其初始化。
下面给出读/写SPI接口的源代码。
#defineREADSPI(Val)
{
SOSPDR=0X00;
While(0==(sospsr&
0x80));
Val=SOSPDR;
}
#defineWRITESPI(Val)
if(0==(SOSPDR&
0x40)){
SOSPDR=Val;
While(0==SOSPDR&
0x80);
亦可用LPC2138的SSP来连接ENC28J60,需将其设置为SPI模式。
应当注意到SSP有8帧的收/发FIFO,如果处理不当将造成读/写错误。
因为缓冲区的存在可能破坏读/写ENC28J60的时序。
对于没有SPI接口的单片机可采用普通I/O口模拟的方法实现SPI主机。
此时须注意静态时时钟的无效状态和相位,以及输出数据位出现的时间;
对ENC28J60操作期间片选必须保持有效(低电平),操作结束后返回低电平。
根据ENC28J60的读/写波形很容易写出模拟SPI主机的程序。
3.3CAN总线
CAN
是
Controller
Area
Network
的缩写(以下称为
CAN),是
ISO
国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种各样的电子控制系统被开发了出来。
由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同,由多条总线构成的情况很多,线束的数量也随之增加。
为适应“减少线束的数量”、“通过多个
LAN,进行大量数据的高速通信”的需要,1986
年德国电气商博世公司开发出面向汽车的
通信协议。
此后,CAN
通过
ISO11898
及
ISO11519
进行了标准化,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
现在,CAN
的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技
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