基于Zigbee的變電站智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張強(qiáng)武，唐露新

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510006）

智能門禁系統(tǒng)，作為一種智能化的安全管理系統(tǒng)，不僅可以隨時記錄各類人員的操作情況[1]，還可以根據(jù)用戶等級來授予不同的訪問權(quán)限，進(jìn)而有效的制止非法操作。

近年來，國家電網(wǎng)提出了建設(shè)智能電網(wǎng)的要求，為了響應(yīng)此要求，各供電分公司逐漸深入落實(shí)關(guān)于加強(qiáng)安全生產(chǎn)和變電站內(nèi)重要設(shè)備的管理，關(guān)鍵在于如何有效地監(jiān)控相關(guān)人員對變電站機(jī)柜內(nèi)的重要設(shè)備進(jìn)行各種授權(quán)的操作。眾所周知，變電站機(jī)房等高壓場所的通信和監(jiān)控設(shè)備大都安裝在機(jī)柜內(nèi)，在日常維護(hù)中，進(jìn)出人員比較多，要實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備的智能化管理，防止非法闖入，機(jī)柜門禁系統(tǒng)應(yīng)具有有效的手段進(jìn)行監(jiān)控，并且能最大程度的為管理人員提供全面、完整和精細(xì)的控制狀態(tài)圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)、準(zhǔn)確、及時的管理[2-3]。但傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)難以滿足上述智能化要求，其原因是機(jī)械式門禁系統(tǒng)防開啟性能差，不便于集中管理[4]；另一方面，基于CAN總線的智能門禁系統(tǒng)雖可進(jìn)行集中管理，但控制器之間采用RS232等通信措施具有布線復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)[5-6]。

文中提出了一種基于Zigbee的變電站機(jī)柜智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在應(yīng)用中，將傳統(tǒng)的鑰匙管理轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂谜邫?quán)限登陸管理，控制器采集信號發(fā)布到上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以便高層次用戶通過瀏覽器登陸查看與控制，有效地增強(qiáng)了變電站設(shè)備的安全性，系統(tǒng)采用Zigbee無線通信模塊，解決了布線復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了變電站門禁系統(tǒng)的智能化管理。

1 機(jī)柜門禁系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由上位機(jī)、主控器系統(tǒng)、分布的電子鎖系統(tǒng)組成。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。上位機(jī)硬件是由一臺工控機(jī)作為服務(wù)器，上位機(jī)軟件基于LabView開發(fā)平臺，通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主控制器系統(tǒng)之間通訊。用戶通過密碼登錄上位機(jī)管理系統(tǒng)，可獲取數(shù)據(jù)庫中工作人員操作分布式電子鎖的記錄。操作人員通過控制器發(fā)送命令給控制器來獲取各個鎖的開關(guān)狀況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制，并控制器獲取到的信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，發(fā)布到上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)設(shè)置使用者查看權(quán)限，以便同一局域網(wǎng)內(nèi)的高層次用戶通過瀏覽器登陸查看與控制。操作人員采用密碼的形式登錄控制器，利用按鍵實(shí)現(xiàn)控制器對電子鎖狀態(tài)查看和控制的命令發(fā)送?？刂破骼肦S232協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，與分布式電子鎖間采用Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)。分布的電子鎖系統(tǒng)以低功耗MSP430為控制器，使用繼電器控制來控制電子鎖的開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。檢測傳感器來監(jiān)控鎖的狀態(tài)并通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

2 機(jī)柜門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

無線電子鎖作為機(jī)電一體化的一種應(yīng)用，系統(tǒng)集成了控制器、Zigbee模塊、鎖具等。其中主控制器類似于無線傳感網(wǎng)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，在分布式電子鎖與上位機(jī)之間具有承上啟下的作用。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要有分布式電子鎖和主控制器兩個模塊。分布式電子鎖是以MSP430為核心的低功耗控制系統(tǒng)，采用Zigbee模塊來實(shí)現(xiàn)與主控制器之間的通信，利用繼電器控制電子鎖的打開，檢測傳感器來監(jiān)控鎖的狀態(tài)；主控制器通過鍵盤輸入命令，運(yùn)用Zigbee模塊與分布式電子鎖通信，查詢鎖的狀態(tài)；最終，將結(jié)果傳至上位機(jī)，發(fā)布至局域網(wǎng)內(nèi)，供上層管理者查詢，其硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Overall system hardware block diagram

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)是控制芯片的選擇，設(shè)計(jì)過程中不僅僅要考慮其功能和開發(fā)環(huán)境，還要注意控制器本身的功耗及其節(jié)能方法。分布式電子鎖與主控制器的核心芯片采用TI公司的MSP430單片機(jī)。MSP430單片機(jī)是專為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)而研制的新型16位單片機(jī)，具有5種低功耗模式，中斷喚醒時間為1μs,既降低了系統(tǒng)功耗又可以對硬件請求和事件作出快速反應(yīng)[7]。結(jié)合MSP430單片機(jī)的多種節(jié)能模式，低功耗設(shè)計(jì)采取以下措施：1)單獨(dú)控制無線收發(fā)模塊的電源開關(guān)，在通信時開啟控制電源；2)在電子鎖休眠狀態(tài)時，單片機(jī)處于低功耗模式。

2.3 無線通信技術(shù)的方案

主控制器與分布式電子鎖采用以NRF905為核心的Zigbee通信模塊，避免了采用導(dǎo)線引起的信號衰減和干擾、線路復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時可以滿足體積小、功耗低、方便設(shè)計(jì)的要求。NRF905可以工作在433/868/915MHz頻段[8]，它由頻率調(diào)制器，功率放大器，帶解調(diào)器的接收器，晶體振蕩器和調(diào)制器組成[9]。在不加功放時，NRF905能在300m內(nèi)正常通信，加功放之后，其通信距離可以增加到1 000m。采用NRF905的Shock Burst技術(shù)，能夠很容易地識別地址，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，簡化了程序設(shè)計(jì)。此外，該模塊在通信時功耗低，節(jié)能效果顯著，在發(fā)射功率為-10 dB時發(fā)射電流為30mA，接收電流為12.5mA，待機(jī)模式下電流僅為12.5μA[10]。其電路如圖3所示。在射頻通信中，PCB板的走線設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整體的性能。在設(shè)計(jì)PCB時，應(yīng)該重點(diǎn)注意銅箔走線都要采用微帶傳輸線的設(shè)計(jì)原理，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了光電隔離模塊，以減少反射引起的傳輸損耗，獲取較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。

圖3 無線收發(fā)模塊硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram ofwireless transceivermodule

2.4 主控制器工作實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為：分布式電子鎖程序、控制器主程序以及上位機(jī)程序。其控制器主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，主程序首先完成初始化 （中斷、LCD、串口模塊、Zigbee模塊等）工作，接著進(jìn)入待機(jī)模式，等待外部命令。當(dāng)有操作人員需要進(jìn)入控制房進(jìn)行作業(yè)時，在主控制器輸入密碼，進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作。主程序掃描到鍵盤輸入后，判斷與設(shè)定密碼是否相符，如果正確則進(jìn)入到控制界面，否則提示重新輸入密碼。在控制界面，操作人員可輸入查看和設(shè)置分布式電子鎖狀態(tài)的相關(guān)命令；當(dāng)檢測到相關(guān)命令后，系統(tǒng)喚醒Zigbee模塊，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到發(fā)送子程序當(dāng)中，其發(fā)送子程序如圖5所示，當(dāng)檢測到需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，對SPI接口進(jìn)行配置，當(dāng)檢測到TRX_CE為0時，啟動ShockBurst(RX)模式，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)檢測數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，系統(tǒng)返回主程序進(jìn)入休眠模式。掃描是否有數(shù)據(jù)可以接收，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)進(jìn)行接收時，系統(tǒng)啟動喚醒模式，進(jìn)入接收子程序如圖6所示。判斷是否有同頻載波以及地址是否相匹配，當(dāng)載波頻率與地址相匹配時，對載波檢測電平進(jìn)行置位，分布式電子鎖發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)無誤后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行提出直到數(shù)據(jù)接收完畢，最后返回主程序顯示結(jié)果。

圖4 控制器主程序Fig.4 Themain program of controller

圖5 發(fā)送子程序Fig.5 A subprogram of send

3 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

1)操作簡單、界面友好、適用性強(qiáng)。上位機(jī)采用LabView設(shè)計(jì)；主控制器的采用鍵盤控制，12864液晶顯示，操作簡潔，界面友好，如圖7所示。下位機(jī)分布式電子鎖稍加修改，添加其它傳感器就可以應(yīng)用于其它場合無線傳感測控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，因此具有很強(qiáng)的適用性。

2)功耗低、可靠性高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了MSP430的低功耗模式，當(dāng)電子鎖處于休眠模式時，MSP430處于LMP3模式。使用Zigbee無線通訊技術(shù)，相對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)的成本。

3)高效率、高利用率。采用MSP430和NRF905在不同模式下，控制電子鎖，休眠時不作處理具有高效利用資源的特點(diǎn)，此外每個主控制器都可以控制120個分布式電子鎖，充分利用了系統(tǒng)資源。

圖6 接收子程序Fig.6 A subprogram of receive

圖7 控制器界面Fig.7 The interface figure of controller

4)性價比高。設(shè)計(jì)任何一種產(chǎn)品，不僅僅要考慮其實(shí)用性，還必須考慮其性價比。越高的性價比就越有可能得到市場的認(rèn)可。在本設(shè)計(jì)中，可以看到其成本比較低，而其功能（實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程通訊、控制管理、權(quán)限分配、風(fēng)險管理等）比較豐富，系統(tǒng)具有很高的性價比。

4 結(jié)束語

文中基于Zigbee進(jìn)行了變電站機(jī)柜門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸，極大減小了系統(tǒng)的體積；采用MSP430芯片作為微控制器，降低了系統(tǒng)的功耗；合理的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)以及PCB板的射頻抗干擾處理，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。應(yīng)用結(jié)果表明，該門禁系統(tǒng)電路簡單、效率高、性能穩(wěn)定。此外，該系統(tǒng)可應(yīng)用于智能養(yǎng)殖系統(tǒng)、森林防火系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)，具有廣泛地市場應(yīng)用前景。

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