CN104504790A - 一种无线门禁控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线门禁控制系统，主要包括主服务器层、嵌入式服务器层、WiFi传输层、ZigBee协调器控制层、ZigBee节点控制层五级层次，各层次可灵活搭配形成6种适应不同应用场景的大小系统。该系统采用了ZigBee和WiFi无线通讯协议并结合嵌入式处理器综合管理门禁系统，减少了布线，省去了大量人力和线材成本，还具有节点/终端耗电量极低，成本低廉，中枢控制器更新实时性好等特点，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线门禁控制系统，具体地说，是一种采用了ZigBee和WiFi无线通讯协议并结合嵌入式处理器综合管理门禁系统。
背景技术
门禁系统已成为发达国家和地区最主要的保安设备，和传统的保安设备不同，它变被动的监控和报警为主动的控制，起到了更高的安全作用。因此，门禁系统日益在保安设备领域中独领风骚，据美国权威机构调查统计结果：90年代美国门禁设备销售额占整个公共安全行业市场销售额的57.8％；闭路监控及其它报警设备销售总额仅占39.2％；另外，台湾安全器材市场年度调查报告中，门禁设备销售增长率为25％，高出其它保安设备增长率十几倍之多。
现有的门禁主要分为
1.不联网门禁，即单机控制型门禁，就是一个机子管理一个门，不能用电脑软件进行控制，也不能看到记录，直接通过控制器进行控制。特点是价格便宜，安装维护简单，不能查看记录，不适合人数量多于50或者人员经常流动(指经常有人入职和离职)的地方，也不适合门数量多于5的工程。
2.485联网门禁，就是可以和电脑进行通讯的门禁类型，直接使用软件进行管理，包括卡和事件控制。所以有管理方便、控制集中、可以查看记录、对记录进行分析处理以用于其它目的。特点是价格比较高、安装维护难道加大，但培训简单，可以进行考勤等增值服务。适合人多、流动性大、门多的工程。
3.TCP/IP网络门禁，也叫以太网联网门禁，也是可以联网的门禁系统，但是通过网络线把电脑和控制器进行联网。除具有485门禁联网的全部优点以外，还具有速度更快，安装更简单，联网数量更大，可以跨地域或者跨城联网。但存在设备价格高，需要有电脑网络知识。适合安装在大项目、人数量多、对速度有要求、跨地域的工程中。
现有的单机门禁系统主要采用485或韦根通讯协议实现有线控制，需要破墙安装控制器。
需要花费大量人力物力进行布线，成本高昂。
现有的门禁控制器一般最多只能控制4个门，在需要大量门禁的一体化楼宇管理中显得极为不便。
在控制器或信号线出现故障时难以维修，更会影响整个控制网络的门禁出现故障。
传统门禁控制器的权限更新周期长，往往不能及时更新上位机做出的权限修改，容易导致权限误操作。
而现有的联网型门禁均采用TCP/IP协议，成本高昂。
网络终端的耗电量大。
主机唤醒时间长。
管理中枢多为主机服务器，若单独使用浪费资源。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，本发明提供一种无线门禁控制系统，该系统采用了ZigBee和WiFi无线通讯协议并结合嵌入式处理器综合管理门禁系统，有效地解决了以下技术问题：
控制器安装不需要破坏原有墙体。
不需要布线，省去了大量人力和线材成本。
多节点，一个控制器在结合WiFi和ZigBee技术后可控制整栋楼宇所需数量的门禁。
单个控制节点出现故障后不会影响其他节点的控制，维修或更换方便。
可以即时更新上位机所作的修改，零延时更改权限。
系统具有联网型门禁系统的所有优点，同时结合了ZigBee使得终端的成本大大下降。
节点/终端耗电量极低。
中枢控制器唤醒时间短。
ZigBee节点门禁控制器成本低廉。其技术方案如下：
一种无线门禁控制系统，主要包括主服务器层、嵌入式服务器层、WiFi传输层、ZigBee协调器控制层、ZigBee节点控制层五级层次：
所述主服务器层用于与云端服务对接；
所述嵌入式服务器层主要用于子系统的权限管理，在完整应用中作为主服务器的二级服务器；
所述WiFi传输层内置Linux系统，能便捷的设置成为路由，AP，STA多种模式，并能实现以太网，串口和WiFi三者之间的两两双向互传；
所述ZigBee协调器控制层的芯片采用的是Ti的CC2530协议栈，基于8051单片机架构，用于全网的信息控制与传输，以及信息采集；
所述ZigBee节点控制层包括ZigBee节点、RFID读卡器、门禁和显示模块。
进一步优选，嵌入式服务器层与WiFi传输层之间采用以太网网络传输通信或串口通信；WiFi传输层和ZigBee协调器控制层之间采用串口通信；嵌入式服务器层和ZigBee协调器控制层之间采用SPI通信、I2C通信或串口通信；ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层之间采用ZigBee协议无线通信。
只包括ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
本发明的一个实施例中，只包括WiFi传输层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
本发明的一个实施例中，只包括嵌入式服务器层、WiFi传输层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
本发明的一个实施例中，只包括嵌入式服务器层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
本发明的一个实施例中，只包括主服务器层、嵌入式服务器层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
本发明的有益效果：本发明是一套包含新型结构和技术的门禁控制系统，主在要ZigBee无线技术，WiFi无线技术，RFID技术，嵌入式系统等方面的应用上有着重要的创新性。
附图说明
图1为本发明无线门禁控制系统的结构示意图；
图2是服务器构建流程图；
图3是WiFi中继示意图；
图4是ZigBee节点门禁控制器原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示，本发明无线门禁控制系统架构：系统主要由五级层次构成，分别是
1、主服务器层；
2、嵌入式服务器层；
3、WiFi传输层；
4、ZigBee协调器控制层；
5、ZigBee节点控制层。
层级功能：
在本套系统中，各层级的应用弹性是很大的。
完整的系统包括5个层级，是整套创新形式和技术的门禁应用系统。(应用一)
第<4+5>层(ZigBee协调器层和ZigBee节点门禁控制器层)构成最基本的无线门禁控制器，是创新性的能够取代传统有线门禁控制器的最小系统。(应用二)
而高层级是应用是可选的，可行的搭配模式包括：
<3+4+5>；(应用三)
<2+3+4+5>；(应用四)
<2+4+5>；(应用五)
<1+2+4+5>；(应用六)
<1+2+3+4+5>；(应用一)
需要说明的是<1+3+WiFi节点控制>即传统的TCP/IP门禁系统。
1、主服务器
主服务器层与传统TCP/IP门禁的服务器是基本一致的。在本套系统中，主要充当与云端服务对接的角色，比如与其他系统的数据交换，实现用户预约，权限更新等等服务。
2、嵌入式服务器
嵌入式服务器是本套系统中相比传统TCP/IP门禁服务器最重要的创新点，主要用于子系统的权限管理。可以在完整应用中作为主服务器的二级服务器
传统TCP/IP门禁的服务器运行在主机之上，管理员可以选择将服务器单独运营在一台主机上抑或与其他应用服务共享主机。
如运营门禁权限控制服务器的主机上同时执行其他程序或运营其他服务器，则会造成系统稳定性的大大下降，各程序或服务之间会造成互相干扰，一旦一个服务造成系统的崩溃，所有运行在此主机上的服务都将受到影响。而如果门禁系统的服务被干扰会终结，会导致门禁的不正常运行，包括通行权限的用户无法通行，无通行权限的用户得以通行，甚至所有门禁失效等等，影响将极为恶劣。
而如果为了维持门禁系统的稳定性，而将每一个系统，子系统的服务器单独运行在一台主机之上则会造成资源的大幅浪费，包括运行主机在物理空间上的占地浪费和主机处理能力的浪费等等。一般而言，在现有应用当中，系统或子系统的主机服务器都需要单独配置一个机房，这对于寸土寸金的当下社会，成本是高昂的。而主机处理能力相对于门禁权限控制服务来说是绰绰有余的，单独运行将大大浪费主机计算力以及主机硬件成本。
为了解决以上问题，我们创造性地把本来需要一台高配电脑才能完成的数据库服务器移植到了基于ARM9架构的嵌入式开发板上。开发板运行着嵌入式linux操作系统，数据库是SQLite3，采用arm-none-linux-guneabi交叉编译环境，利用SQLite3的C语言接口编程实现一个基于linux的网络数据库服务器，用来记录权限信息等。
服务器构建流程如图2所示：
服务器端1：
#1采用多线程并发服务器模式，接收权限信息。
#2在已建的数据库myDB.db内的数据表stu_info中查找用户的ID，若找到此ID，则把此ID对应的那条预约信息记录更新，置位预约状态；若无此ID，则不更新预约信息。
服务器端2：
#1采用多线程并发服务器模式，接收从wifi中继模块发过来的RFID刷卡信息
#2打开数据库myDB.db和stu_info数据表，进行物理卡号信息到用户ID信息的转换
#3登记刷卡时间，查找ID，查看对应的权限状态，所刷ID和对应门禁权限是否匹配，若未预约是否有开门权限
#4发回控制信息给wifi模块，wifi通过串口传给zigbee控制终端，打开对应的门禁。
#5服务器对每一个实验桌使用时间定时，预约实验时间到达后控制zigbee终端发出断电信号
基于嵌入式平台构建的服务器，具有功耗低，机器利用效率高，体积小，易携带，使用方便等特点，降低了成本，并可通过插拔SD卡实现预约状态的实时记录和保存，极大的降低了数据存储与查看的难度。
3、WiFi中继
传统TCP/IP门禁即采用TCP/IP协议传输控制信号，与本层功能完全一致。
如图3所示，在本套系统的完整应用中，WiFi与ZigBee并用，WiFi层充当的是信号中继的功能。WiFi的无线传输能力相比ZigBee更强，主要在传输距离和传输数据量两方面能够补充ZigBee在上层应用中的不足，然而随之的是更高的成本和更高的功耗。因此，针对于不同的应用场合，WiFi和ZigBee的应用比例是可调节的。
服务器(主服务器，嵌入式服务器)可通过通过设定WiFi接收模块的IP地址，通过路由器与WiFi接收模块通信，也可通过以太网与WiFi模块有线通信。WiFi接收模块负责将信号转化成为串口信号。
WiFi技术基于传统的TCP/IP协议，因此如果现有系统中已有成熟的，布置安装完善的基于TCP/IP协议的有线层，本层亦可由有线网络连接部分代替甚至全部代替。
4、ZigBee协调器
ZigBee协调器模块，我们选用了TI公司的CC2530作为核心芯片，该芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案，成本相对低廉。在实际应用过程中亦可以采用诸如STM32等其他处理平台，以及CC2520，NRF24L01等2.4Ghz无线通信芯片配合实现同样的功能。
ZigBee组网过程设计与实现
ZigBee单个模块有三种设备类型可以选择：1.协调器(coordinator)2.路由器(router)3.节点(enddevice)。协调器负责全网的信息控制与传输，是ZigBee组网系统必不可少的模块。路由器可以增大ZigBee系统信号传输范围，起桥梁过度作用。节点是信息传输的终端，负责信号的采集，发送与执行控制信号的功能。
实际应用中可根据应用范围的大小选择是否使用路由器层。
协调器加WiFi控制模块：
服务器是整个系统的中控，而协调器是某一个片区的中控。协调器要想控制设备必须从服务器那儿接收到信息才能进行局域网的控制。由于ZigBee无线传输距离有限，故衔接协调器和网络中心服务器的桥梁只能利用WiFi无线传输。WiFi入网，协调器控制，故协调器和WiFi两个模块是一个数据收发的整天，起到局域网和广域网之间桥梁的作用。串口通信是我们比较熟悉的通信方式，故我们采用协调器和WiFi模块进行串口连接。
而小型系统应用中，更可在协调器层直接由单片机驱动担任服务器的角色，在此应用中，我们可以采用stm32作为主控，运行uC/OS系统，将权限信息存贮在SD卡或flash中，直接读取并发出控制指令。
ZigBee+RFID门禁模块
此模块是以上ZigBee节点模块功能的拓展。从原理上来说，此模块的ZigBee不单单是启动控制作用，还起到一个信息采集的作用。
5、ZigBee节点门禁控制器
如图4所示：
A、ZigBee节点
在用户ID和用户RFID物理卡号的匹配上，可以选用通过算法转化，也可以直接在数据库中作一一对应。而算法转换可以应用两种方案。
方案一：将算法写入ZigBee芯片，并在实验室中控模块中完成转换，这样预约系统，服务器等其他地方都可以直接使用用户ID作为身份识别码。
方案二：将数据回传到服务器，算法转换工作在服务器中完成。
B、RFID读卡器
RFID读卡器可通过韦根协议，RS485协议经由转换电路与ZigBee节点控制器通信。
此处的RFID读卡器亦可替换为NFC读卡器，从而实现通过手机识别ID。
C、门禁
系统采用继电器对门禁实现控制，门禁则采用市售标称磁吸式或插销式门禁，可以在不破坏原有门锁或门禁的情况下安装，使得系统的可推广性大大增强。
D、显示模块
显示屏模块负责显示显示用户ID信息和房间状态等信息。
可根据需求选用不同成本和功能的显示屏，也可以根据需求选择直接用ZigBee节点芯片实现控制或外接单独的单片机对显示屏进行控制。
层级通信
1、主服务器与嵌入式服务器之间可采用
①有线网络传输通信
②无线网络传输通信。
2、嵌入式服务器与WiFi传输层之间可采用
①以太网网络传输通信
②串口通信
3、WiFi传输层和ZigBee协调器之间可采用
①串口通信
4、嵌入式服务器和ZigBee协调器之间可采用
①串口通信
②SPI通信
③I2C通信
5、ZigBee协调器与ZigBee节点之间可采用
①ZigBee协议无线通信。
②在ZigBee协议基础上修改的与ZigBee协议基本功能，原理类似的无线传输协议。
安全性评估
整套系统的安全防护机制共有7层。
1、服务器的身份校验
服务器应包含ID登陆，密码输入身份校验等步骤，有效防范无关人员获取进入的权限。
2、WiFi网络的WPA2PSK加密
WiFi传输通过具有WPA2PSK加密的路由器连接，而WPA2PSK加密算法作为路由器常用加密算法，相较WEP等其他加密方式安全性更高，不易破解。
3、RFID技术的安全性
RFID技术的安全性一直广为人知，全球发卡量达到14亿也可见一斑。此套系统中的读卡器读取的数据与实际用户ID并不一致，其中的转换的算法机制仅有少数人了解，此套转换算法从某种意义上讲也是一种加密。
4、终端IP地址的静态分配
我们将每个终端的MAC地址与其在路由器中的IP地址绑定，实现了终端IP地址的确定，除非对路由改造重启，否则局域网内不允许两个设备共享一个IP地址。
5、在WiFi模块中可以指定TCP sever的IP地址，其他设备无法与其建立连接，发送数据。
6、控制代码数据库
此套系统的控制代码是定制设计的，无关人员无法获知控制数据。
7、闯入检测
门磁设置有物理状态回传，使系统在遭到入侵时，能够告知主控，并作出相应的保护措施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种无线门禁控制系统，其特征在于，主要包括主服务器层、嵌入式服务器层、WiFi传输层、ZigBee协调器控制层、ZigBee节点控制层五级层次：
所述主服务器层用于全局管理以及与云端服务对接；
所述嵌入式服务器层用于子系统的权限管理，在完整应用中作为主服务器的二级服务器，也能作为独立服务器；
所述WiFi传输层包括WiFi模块，路由器，以太网，所述WiFi模块内置Linux系统，能便捷的设置成为路由、AP、STA多种模式，并能实现以太网，串口和WiFi三者之间的两两双向互传；
所述ZigBee协调器控制层用于子网的信息控制与传输，以及信息采集，主要包括ZigBee协调器层，SD卡/flash存储器；
所述ZigBee节点控制层包括ZigBee路由层或节点层、RFID或NFC读卡器、门禁模块和显示模块。
2.根据权利要求1所述的无线门禁控制系统，其特征在于，只包括ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
3.根据权利要求1所述的无线门禁控制系统，其特征在于，只包括WiFi传输层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
4.根据权利要求1所述的无线门禁控制系统，其特征在于，只包括嵌入式服务器层、WiFi传输层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
5.根据权利要求1所述的无线门禁控制系统，其特征在于，只包括嵌入式服务器层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
6.根据权利要求1所述的无线门禁控制系统，其特征在于，只包括主服务器层、嵌入式服务器层、ZigBee协调器控制层和ZigBee节点控制层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150408 |