CN202483277U - 一种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置 - Google Patents

Abstract

一种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，包括设有CPU的主控单元、指纹采集系统和外部接口，CPU设有TTL电平串口；外部接口包括与CPU的TTL电平串口连接的ZigBee通信接口，其挂载的ZigBee模块包括安装在指纹锁内部的锁内ZigBee模块和与电脑连接的联机ZigBee模块。具有ZigBee无线通信技术的优点：低功耗，短时延，高容量，高有效性、高通畅性和高安全度的通信以及通过上一层网络节点管理实现远距离通信，还解决了现有指纹锁不能数据联机共享和远程开锁问题，更加方便查看开锁记录如时间、日期、开锁方式等，而不需要通过U盘下载；也可以实现锁和计算机之间的通信，实现远程开锁，便于管理。

Description

一种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置

技术领域

本实用新型涉及锁，特别是涉及具一种有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置。

背景技术

现有指纹锁包括主控单元、指纹采集系统、人机交互界面、电机驱动电路、电源系统模块、实时时钟电路、提示单元和外部接口。尽管通过外接U盘具有脱机查看功能，仍然存在以下缺陷：不具有开锁记录实时查看功能，指纹锁不能进行联机操作，不便于远程控制和查看开锁记录。目前也未见有应用近距离通信技术ZigBee的指纹锁装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置。

本实用新型的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，包括现有指纹锁装置的基本组成部件：包括设有CPU、存储系统和复位电路的主控单元、指纹采集系统、人机交互界面、电机及电机驱动电路、电源系统模块、实时时钟电路、提示单元和外部接口，所述开锁方式包括指纹(FingerPrint，缩略词FP)开锁方式和密码(PassWord，缩略词为PWD)开锁方式。

这种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置的特点是：

所述主控单元的CPU设有晶体管-晶体管逻辑电路(Transistor-Transistor Logic，缩略词为TTL)电平串口，所述主控单元的CPU通过所述TTL电平串口接收指令实现参数上传、固件升级或对电机驱动实现开锁，还通过所述TTL电平串口发送指令实现数据下载。

所述外部接口包括符合ZigBee通信接口要求的ZigBee通信接口，所述ZigBee通信接口与所述主控单元的CPU的TTL电平串口连接，用于实现CPU和ZigBee模块之间的通信。还可以通过CPU和ZigBee芯片实现ZigBee技术短距离通信，但是，相对于ZigBee模块来说，使用ZigBee芯片需要占用CPU更多的输入/输出(Input/Output，缩略词为I/O)口，需要加入复杂的ZigBee协议底层驱动程序以及更多的人力和技术储备资源。

所述ZigBee通信接口挂载的ZigBee模块，包括安装在指纹锁内部的锁内ZigBee模块和设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板的与电脑连接的联机ZigBee模块，所述联机ZigBee模块接收锁内ZigBee模块发送的数据和指令，并由所述ZigBee测试板将接收到的数据上传给电脑通过锁软件显示。

所述锁内ZigBee模块和联机ZigBee模块是波特率相同的ZigBee模块。所述锁内ZigBee模块和联机ZigBee模块之间的通信还包括波特率的设置，所述锁内ZigBee模块和联机ZigBee模块的波特率必须相同，以实现数据的正常传播，否则，会引起数据包丢失。还要预先打开锁软件，将锁软件通信口和电脑的通信口设置成相同的接口。

所述ZigBee通信接口挂载的ZigBee模块，还包括至少一个设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板的中间ZigBee模块，所述中间ZigBee模块接收锁内ZigBee模块或相邻的中间ZigBee模块发送的数据和指令，又发送给另一与之相邻的中间ZigBee模块，依次类推，直至被终端的联机ZigBee模块，即与电脑相连的ZigBee模块接收，用于实现远程显示开锁信息和无线控制开锁。

所述中间ZigBee模块是波特率与所述锁内ZigBee模块和所述联机ZigBee模块波特率相同的ZigBee模块。所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块之间的通信还包括波特率的设置，所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块的波特率必须相同，以实现数据的正常传播，否则，会引起数据包丢失。

所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块是双向通信模块。即每一个锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee既可以作为接收数据和指令的模块，也可以作为发送数据和指令的模块。当锁内ZigBee模块作为发送数据和指令的模块，联机ZigBee模块作为接收数据和指令的模块时，通过锁软件显示开锁信息，包括当前开锁方式、时间、日期和使用者的身份号码(Identity，缩略词为ID)；当锁内ZigBee模块作为接收数据和指令的模块、联机ZigBee模块作为发送数据和指令的模块时，通过锁软件实现无线开锁。

所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块基于相邻间距短、信道最畅通的原则自动组网。即与发送的中间ZigBee模块最近、信道最通畅的中间ZigBee模块将自动成为接收的中间ZigBee模块。

所述ZigBee测试板包括收发信号提示电路和串口/USB接口转换电路，所述收发信号提示电路用于提示ZigBee模块是否接收到信号，所述串口/USB接口转换电路用于将ZigBee模块接收到的信号完成由TTL串口到USB接口的转换，以及指令写入时完成USB接口到TTL串口的转换，还用于设置ZigBee模块的工作模式，包括透明模式、应用程序界面(Application Program Interface，缩略词为API)模式和调制解调命令(Attention Commands，缩略词为AT)模式。具体设置参考制造商提供的使用说明。在透明模式下，ZigBee模块接收到的数据立即通过TTL串口的发送端TXD发送；在API模式下，与透明模式不同的是要求TTL串口上的数据通信均按一定帧格式解释，对不符合格式的数据将予以忽略；在AT命令模式下，可以修改或者读取ZigBee模块的参数设置。

本实用新型的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述主控单元的CPU是数据位宽支持最高位32、最高时钟频率400MHz的CPU，用于程序的调用和对外信号的控制、检测。

所述主控单元的CPU包括系统控制器、定时器和存储器接口，还支持I²总线接口、多媒体接口、液晶显示屏(Liquid Crystal Display，缩略词为LCD)接口、AC97/I²S控制口，以及照相机接口。

所述主控单元的存储系统包括同步动态随机存储器(SynchronousDynamic Random Access Memory，缩略词为SDRAM)或者更高级的存储器和NAND闪存或NOR闪存FLASH，具体用多大的存储器可以视程序的大小而定，分别用于程序被调用时的映像和存储，为系统文件、固件提供足够的映像和烧写空间。，

所述指纹采集系统包括受CPU控制的指纹头电源和指纹采集器，所述指纹头电源在待机状态下或者指纹、密码成功匹配后关闭受控源，只有在开机到验证指纹过程中受控源有效，从而极大降低了指纹采集系统的功耗。

所述人机交互界面包括有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，缩略词为OLED)组成的OLED显示屏和功能按键电路，OLED显示屏为操作进程提供直观显示图，功能按键电路包括多个专用和复用键，如密码键、密码确认键、后退键、上翻键、下翻键、长按关机键、开机键、进入菜单键，用于内容显示和手动操作。

所述电机驱动电路包括驱动电路和受CPU控制的驱动电路电源控制电路，所述驱动电路电源控制电路在未检测到有指纹或者密码匹配成功时，不给驱动芯片提供电压，而只是在检测到指纹、密码的成功验证或者接收到ZigBee模块发送来了指令之后才使受控源供电有效，不会妨碍电机驱动，反而能够降低多数操作下的功耗，达到节能的目的。

所述电源系统模块包括电压检测电路和电压转换电路，通过电压转换电路将电池电压转换出3.3V、1.8V、5V和11.5～11.7V供给相应的芯片和OLED显示屏所需电源，同时电压检测电路通过检测当前锁中电池电压，当电池电压低于设定值时，在OLED显示屏中显示出“低压警告”的字符，并发出“嘀、嘀、嘀”的报警音提示更换电池。

所述实时时钟电路能够提供精准的计时，且可以自动更新时间和日期。

所述提示单元包括蜂鸣器提示电路和红绿灯提示电路，每次完整的操作都会看到红灯或者绿灯提示，红灯表示操作失败，绿灯表示操作成功，同时发出蜂鸣器提示音，每一次按键和操作都发出“嘀”的一次提示音，而操作失败，则发出“嘀嘀”的两次提示音。通过声音和光的提示，可以获知当前操作的成功与否和当前电量是否出现低压情况。

所述外部接口电路包括(Universal Serial Bus，缩略词为USB)接口、电池板接口、后备电源接口和ZigBee通信接口，USB接口在电池板上的拨动开关处于中间档位时可以挂载U盘，实现数据的上传和下载，以及固件参数升级，而当电池板上的拨动开关处于两侧档位时，USB接口无效，可以节能，后备电源接口83用于在电池电量不足时提供开锁应急电源。

本实用新型与现有技术对比的有益效果是：

本实用新型基于ZigBee无线通信技术，不仅具有ZigBee无线通信技术的优点：低功耗，短时延，高容量，高有效性、高通畅性和高安全度的通信以及通过上一层网络节点管理实现远距离通信，还解决了现有指纹锁不能数据联机共享和远程开锁问题，更加方便查看开锁记录如时间、日期、开锁方式等，而不需要通过U盘下载；也可以实现锁和计算机之间的通信，实现远程开锁，便于管理。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的组成方框图；

图2是本实用新型通信方式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图1、2对本实用新型进行说明。

一种如图1、2所示的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，包括主控单元1、指纹采集系统2、人机交互界面3、电机及电机驱动电路4、电源系统模块5、实时时钟电路6、提示单元7和外部接口8。开锁方式包括指纹FP开锁方式和密码PWD开锁方式。

在现有指纹锁的组成基础上增加了符合ZigBee通信接口要求的ZigBee通信接口84，ZigBee通信接口84与主控单元1连接，用于实现主控单元的CPU11和ZigBee模块之间的通信，并且这种通信方式是通过TTL串口实现，ZigBee通信接口84还可以通过主控单元的CPU11和ZigBee芯片实现ZigBee技术短距离通信，但是相对于ZigBee模块来说，使用ZigBee芯片需要占用CPU更多的I/O口，需要加入复杂的ZigBee协议底层驱动程序以及更多的人力和技术储备资源。

主控单元1具有存储指纹模板、控制显示、控制按键操作和电机驱动等功能。包括CPU 11、存储系统12和复位电路13。

其中CPU11用于程序的调用和对外信号的控制、检测，采用JZ4725/30处理器，支持最高位32位系统，最高时钟频率400MHz，包括系统控制器、定时器、存储器接口，如静态存储器接口、闪存接口、动态随机存储器接口等，数据位宽支持8位、16位、32位，支持I²C总线接口、同步串行口、支持多媒体接口，如LCD接口、AC97/I2S控制口、照相机接口等，能够对系统要求的各模块电路进行快速检测和控制。

存储系统12包括型号为IC42S16400D-7TL的64M的同步动态随机存储器SDRAM或者更高级的存储器和型号为K9F5608U0D-PCB0256M的NAND闪存或NOR闪存FLASH，具体用多大的存储器可以视程序的大小而定，分别用于程序被调用时的映像和存储，能为系统文件、固件提供足够的映像和烧写空间。

指纹采集系统2包括受CPU11控制的指纹头电源21和指纹采集器22，指纹头电源21在待机状态下或者指纹、密码成功匹配后关闭受控电源，只有在开机到验证指纹的过程中受控电源有效，从而极大降低了指纹采集系统2的功耗。

人机交互界面3具备内容显示和手动操作功能，包括OLED显示屏31和按键电路32，OLED显示屏31为操作进程提供直观显示图，按键电路32由5个按键组成，依次为：1/ESC、2/▲、4、5MENU/OK/⊙，其中1号键作为密码键的同时，还可以实现后退、长按关机功能；2号键作为密码键的同时，还可以实现上翻功能；3号键作为密码键的同时，还可以实现下翻功能；4号键作为密码键；5号键作为密码确认键、开机键的同时，还可以实现长按进入菜单栏的功能；以上按键每次操作都会伴有操作提示音和红绿灯提示信号，通过OLED显示屏31和按键电路32可以轻松实现各种操作。

电机驱动电路4包括驱动电路42和受CPU控制的驱动电路电源控制电路41，驱动电路电源控制电路41在未检测到有指纹或者密码匹配成功时，不给驱动芯片提供电压，而只是在检测到指纹、密码的成功验证或者接收到ZigBee模块发送来了指令之后才使受控源源供电有效，不会妨碍电机驱动，反而能够降低多数操作下的功耗，达到节能的目的。

电源系统模块5包括电压检测电路51和电压转换电路52，通过电压转换电路52将电池电压转换出3.3V、1.8V、5V和11.5～11.7V供给相应的芯片和OLED显示屏所需电源，同时电压检测电路51通过检测当前锁中电池电压，当电池电压低于设定值时，在OLED显示屏中显示出“低压警告”的字符，并发出“嘀、嘀、嘀”的提示音提示更换电池。

实时时钟电路6采用型号为ZT-C08803A的时钟电路芯片，能够提供精准的计时，且可以自动更新时间和日期。

提示单元7包括蜂鸣器72提示电路和红绿灯71提示电路，每次完整的操作都会看到红灯或者绿灯提示，红灯表示操作失败，绿灯表示操作成功，同时发出蜂鸣器提示音，每一次按键和操作都发出“嘀”的一次提示音，而操作失败，则发出“嘀嘀”的两次提示音。通过声音和光的提示，可以获知当前操作的成功与否和当前电量是否出现低压情况。

外部接口8包括USB接口81、电池板接口82、后备电源接口83和ZigBee通信接口84，USB接口81在电池板上的拨动开关处于中间档位时可以挂载U盘，实现数据的上传和下载，以及固件参数升级，而当电池板上的拨动开关处于两侧档位时，USB接口81无效，可以节能，后备电源接口83用于在电池电量不足时提供开锁应急电源。

ZigBee接口84挂载的ZigBee模块功耗低，典型工作电压为3.3V，在待机状态下ZigBee模块处于休眠状态，此时的耗电仅1～2μA，即使ZigBee模块处于工作模式下，其接收电流也不会超过50mA，发射电流不超过160mA。

如附图2所示，ZigBee通信接口84挂载的ZigBee模块，包括安装在指纹锁内部的锁内ZigBee模块841、至少一个设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板844的中间ZigBee模块842，和设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板844的与电脑连接的联机ZigBee模块843。

联机ZigBee模块843接收锁内ZigBee模块841发送的数据和指令，并由ZigBee测试板844将接收到的数据上传给电脑通过锁软件显示。

中间ZigBee模块842接收锁内ZigBee模块841或相邻的中间ZigBee模块842发送的数据和指令，又发送给另一与之相邻的中间ZigBee模块842，依次类推，直至被终端的联机ZigBee模块，即与电脑相连的ZigBee模块843接收。锁内ZigBee模块841、中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843是波特率相同的ZigBee模块，锁内ZigBee模块841、中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843之间的通信还包括波特率的设置，锁内ZigBee模块841、中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843的波特率必须相同，以实现数据的正常传播，否则，会引起数据包丢失。还要预先打开锁软件，将锁软件通信口和电脑的通信口设置成相同的接口。

锁内ZigBee模块841、中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843是基于相邻间距短、信道最畅通的原则自动组网的双向通信模块。与发送的中间ZigBee模块842最近、信道最通畅的中间ZigBee模块842将自动成为接收的中间ZigBee模块842，且锁内ZigBee模块841、每一个中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843，既可以作为接收数据和指令的模块，也可以作为发送数据和指令的模块。当锁内ZigBee模块841作为发送数据和指令的模块，联机ZigBee模块843作为接收数据和指令的模块时，通过锁软件显示开锁信息，包括当前开锁方式、时间、日期和使用者的身份号码ID；当锁内ZigBee模块841作为接收数据和指令的模块、联机ZigBee模块843作为发送数据和指令的模块时，通过锁软件实现无线开锁。

ZigBee测试板844包括收发信号提示电路和串口/USB接口转换电路，收发信号提示电路用于提示ZigBee模块是否接收到信号，串口/USB接口转换电路用于将ZigBee模块接收到的信号完成由TTL串口到USB接口的转换，以及指令写入时完成USB接口到TTL串口的转换，还用于设置ZigBee模块的工作模式，包括透明模式、API模式和AT模式。具体设置参考制造商提供的使用说明。在透明模式下，中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843接收到的数据立即通过TTL串口的发送端TXD发送；在API模式下，与透明模式不同的是要求TTL串口上的数据通信均按一定帧格式解释，对不符合格式的数据将予以忽略；在AT命令模式下，可以修改或者读取中间ZigBee模块842和联机ZigBee模块843的参数设置。

在人为开锁的情况下，当指纹或者密码验证通过时，锁内ZigBee模块841接收到主控单元的CPU通过串口发送的指令和数据而被唤醒，并立即将数据和指令再通过串口发送，通过ZigBee的自组网功能和动态路由技术，被发送的数据和指令将被相邻的ZigBee模块842接收并又发送给另一与之相邻的ZigBee模块842，依次类推，直至被终端的联机ZigBee模块843，即与电脑相连的ZigBee模块843接收，且通过与之相应的ZigBee测试板844将接收到的数据通过显示开锁信息，包括当前开锁方式、时间、日期和使用者的身份号码ID。

在远程控制开锁的情况下，联机ZigBee模块843收到锁软件或相应的ZigBee测试板844的触发信号，即向相邻的ZigBee模块842发送指令，而得到指令的相邻ZigBee模块842又将指令发送给另一与之相邻的ZigBee模块842，直至被终端的锁内ZigBee模块841接收到该指令后被唤醒，进而触发外部开机电路，当主控单元的CPU检测到开机电路上的外部启动信号时，CPU通过锁软件控制电机驱动电路实现开锁无线操作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，包括设有CPU、存储系统和复位电路的主控单元、指纹采集系统、人机交互界面、电机及电机驱动电路、电源系统模块、实时时钟电路、提示单元和外部接口，其特征在于：

所述主控单元的CPU设有晶体管-晶体管逻辑电路TTL电平串口；

所述外部接口包括符合ZigBee通信接口要求的ZigBee通信接口，所述ZigBee通信接口与所述主控单元的CPU的TTL电平串口连接。

2.如权利要求1所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述ZigBee通信接口挂载的ZigBee模块，包括安装在指纹锁内部的锁内ZigBee模块和设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板的与电脑连接的联机ZigBee模块，所述锁内ZigBee模块和联机ZigBee模块是波特率相同的ZigBee模块。

3.如权利要求2所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述ZigBee通信接口挂载的ZigBee模块，还包括至少一个设有用于进行TTL串口和USB接口之间数据转换的ZigBee测试板的中间ZigBee模块，所述中间ZigBee模块是波特率与所述锁内ZigBee模块和所述联机ZigBee模块波特率相同的ZigBee模块。

4.如权利要求3所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块是双向通信模块。

5.如权利要求4所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述锁内ZigBee模块、中间ZigBee模块和联机ZigBee模块是基于相邻间距短、信道最畅通的原则自动组网的双向通信模块。

6.如权利要求1所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于： 

所述ZigBee测试板包括收发信号提示电路和串口/USB接口转换电路。

7.如权利要求1或2所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述主控单元的CPU是数据位宽支持最高位32、最高时钟频率400MHz的CPU；

所述主控单元的CPU包括系统控制器、定时器和存储器接口，还支持I²C总线接口、多媒体接口、液晶显示屏LCD接口、AC97/I²S控制口，以及照相机接口；

所述主控单元的存储系统包括同步动态随机存储器SDRAM、NAND闪存或NOR闪存FLASH。

8.如权利要求3所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述指纹采集系统包括受CPU控制的指纹头电源和指纹采集器。

9.如权利要求4所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述人机交互界面包括OLED显示屏和功能按键电路；

所述电机驱动电路包括驱动电路和受CPU控制的驱动电路电源控制电路；

所述电源系统模块包括电压检测电路和电压转换电路；

所述实时时钟电路采用型号为ZT-C08803A的时钟电路芯片；

所述提示单元包括蜂鸣器提示电路和红绿灯提示电路。

10.如权利要求9所述的具有ZigBee无线通信功能的指纹锁装置，其特征在于：

所述外部接口电路包括USB接口、电池板接口、后备电源接口和ZigBee通信接口。 

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