Zigbee變電站智能門禁系統設計

智能門禁系統，做爲一種智能化的安全管理系統，不只能夠隨時記錄各種人員的操做狀況，還能夠根據用戶等級來授予不一樣的訪問權限，進而有效的制止非法操做。

    近年來，國家電網提出了建設智能電網的要求，爲了響應此要求，各供電分公司逐漸深刻落實關於增強安全生產和變電站內重要設備的管理，關鍵在於如何有效地監控相關人員對變電站機櫃內的重要設備進行各類受權的操做。衆所周知，變電站機房等高壓場所的通訊和監控設備大都安裝在機櫃內，在平常維護中，進出人員比較多，要實現對機櫃內的設備的智能化管理，防止非法闖入，機櫃門禁系統應具備有效的手段進行監控，而且能最大程度的爲管理人員提供全面、完整和精細的控制狀態圖，進而實現精細、準確、及時的管理。

    但傳統門禁系統難以知足上述智能化要求，其緣由是機械式門禁系統防開啓性能差，不便於集中管理；另外一方面，基於CAN總線的智能門禁系統雖可進行集中管理，但控制器之間採用RS232等通訊措施具備佈線複雜、成本高的缺點。

    文中提出了一種基於Zigbee無線模塊的變電站機櫃智能門禁系統設計方案。在應用中，將傳統的鑰匙管理轉變爲使用者權限登錄管理，控制器採集信號發佈到上位機網絡，以便高層次用戶經過瀏覽器登錄查看與控制，有效地加強了變電站設備的安全性，系統採用Zigbee無線模塊，解決了佈線複雜、成本高的缺點，實現了變電站門禁系統的智能化管理。

1 機櫃門禁系統工做原理

系統由上位機、主控器系統、分佈的電子鎖系統組成。其系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

 

上位機硬件是由一臺工控機做爲服務器，上位機軟件基於LabView開發平臺，經過Modbus協議實現上位機與主控制器系統之間通信。用戶經過密碼登陸上位機管理系統，可獲取數據庫中工做人員操做分佈式電子鎖的記錄。操做人員經過控制器發送命令給控制器來獲取各個鎖的開關情況，進一步實現控制，並控制器獲取到的信息記錄在數據庫中，發佈到上位機網絡；上位機設置使用者查看權限，以便同一局域網內的高層次用戶經過瀏覽器登錄查看與控制。操做人員採用密碼的形式登陸控制器，利用按鍵實現控制器對電子鎖狀態查看和控制的命令發送。

控制器利用RS232協議與上位機進行通信，與分佈式電子鎖間採用Zigbee數傳模塊通訊網絡。分佈的電子鎖系統以低功耗MSP430爲控制器，使用繼電器控制來控制電子鎖的開關狀態的轉換。檢測傳感器來監控鎖的狀態並經過Zigbee模塊將數據發送給主控制器。

2 機櫃門禁系統實現方案

無線電子鎖做爲機電一體化的一種應用，系統集成了控制器、Zigbee無線模塊、鎖具等。其中主控制器相似於無線傳感網中的匯聚節點，在分佈式電子鎖與上位機之間具備承上啓下的做用。

2．1硬件電路設計

系統硬件電路設計主要有分佈式電子鎖和主控制器兩個模塊。分佈式電子鎖是以MSP430爲核心的低功耗控制系統，採用Zigbee無線模塊來實現與主控制器之間的通訊，利用繼電器控制電子鎖的打開，檢測傳感器來監控鎖的狀態；主控制器經過鍵盤輸入命令，運用Zigbee模塊與分佈式電子鎖通訊，查詢鎖的狀態；最終，將結果傳至上位機，發佈至局域網內，供上層管理者查詢，其硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件整體框圖

 

2．2低功耗設計

低功耗設計最重要的環節是控制芯片的選擇，設計過程當中不只僅要考慮其功能和開發環境，還要注意控制器自己的功耗及其節能方法。分佈式電子鎖與主控制器的核心芯片採用TI公司的MSP430單片機。MSP430單片機是專爲低功耗系統設計而研製的新型16位單片機，具備5種低功耗模式，中斷喚醒時間爲1us，既下降了系統功耗又能夠對硬件請求和事件做出快速反應。結合MSP430單片機的多種節能模式，低功耗設計採起如下措施：

1)單獨控制無線收發模塊的電源開關，在通訊時開啓控制電源；

2)在電子鎖休眠狀態時，單片機處於低功耗模式。

2．3無線通訊技術的方案

主控制器與分佈式電子鎖採用以NRF905爲核心的Zigbee數傳模塊，避免了採用導線引發的信號衰減和干擾、線路複雜的缺點，同時能夠知足體積小、功耗低、方便設計的要求。NRF905能夠工做在433／868／915MHz頻段，它由頻率調製器，功率放大器，帶解調器的接收器，晶體振盪器和調製器組成。在不加功放時，NRF905能在 300m 內正常通訊，加功放以後，其通訊距離能夠增長到1 000m 。採用NRF905的Shock Burst技術，可以很容易地識別地址，實現多機通訊，簡化了程序設計。此外，該Zigbee數傳模塊在通訊時功耗低，節能效果顯著，在發射功率爲-10 dB時發射電流爲30 mA，接收電流爲12．5 mA，待機模式下電流僅爲12．5uA。其電路如圖3所示。

圖3 無線收發模塊硬件電路圖

 

在射頻通訊中，PCB板的走線設計直接關係到總體的性能。在設計PCB時，應該重點注意銅箔走線都要採用微帶傳輸線的設計原理，實際設計中採用了光電隔離模塊，以減小反射引發的傳輸損耗，獲取較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。

2．4主控制器工做實現

系統軟件設計分爲：分佈式電子鎖程序、控制器主程序以及上位機程序。其控制器主程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制器主程序

系統上電後，主程序首先完成初始化(中斷、LCD、串口模塊、Zigbee模塊等)工做，接着進入待機模式，等待外部命令。當有操做人員須要進入控制房進行做業時，在主控制器輸入密碼，進入系統進行相應操做。主程序掃描到鍵盤輸入後，判斷與設定密碼是否相符，若是正確則進入到控制界面，不然提示從新輸入密碼。

圖5 發送子程序

在控制界面，操做人員可輸入查看和設置分佈式電子鎖狀態的相關命令；當檢測到相關命令後，系統喚醒Zigbee模塊，準備數據發送，系統跳轉到發送子程序當中，其發送子程序如圖5所示，當檢測到須要發送數據時，對SPI接口進行配置，當檢測到TRX_CE爲0時，啓動ShockBurst(RX)模式，系統發送數據，循環檢測數據是否發送完畢，當檢測到數據發送完畢後，系統返回主程序進入休眠模式。掃描是否有數據能夠接收，當檢測到有數據進行接收時，系統啓動喚醒模式，進入接收子程序如圖6所示。

圖6 接收子程序

判斷是否有同頻載波以及地址是否相匹配，當載波頻率與地址相匹配時，對載波檢測電平進行置位，分佈式電子鎖發送數據，進行CRC校驗，校驗無誤後，對數據進行提出直到數據接收完畢，最後返回主程序顯示結果。

3 本系統設計的優勢

1)操做簡單、界面友好、適用性強。上位機採用LabView設計；主控制器的採用鍵盤控制，12864液晶顯示，操做簡潔，界面友好，如圖7所示。

圖7 控制器界面

下位機分佈式電子鎖稍加修改，添加其它傳感器就能夠應用於其它場合無線傳感測控系統的開發設計，所以具備很強的適用性。

    2)功耗低、可靠性高。系統設計充分利用了MSP430的低功耗模式，當電子鎖處於休眠模式時，MSP430處於LMP3模式。使用Zigbee無線通信技術，相對傳統設計提升了系統可靠性，下降了系統的成本。

    3)高效率、高利用率。採用MSP430和NRF905在不一樣模式下，控制電子鎖，休眠時不做處理具備高效利用資源的特色，此外每一個主控制器均可以控制120個分佈式電子鎖，充分利用了系統資源。

    4)性價比高。設計任何一種產品，不只僅要考慮其實用性，還必須考慮其性價比。越高的性價比就越有可能獲得市場的承認。在本設計中，能夠看到其成本比較低，而其功能(實時監控、遠程通信、控制管理、權限分配、風險管理等)比較豐富，系統具備很高的性價比。

4 結束語

文中基於Zigbee無線模塊進行了變電站機櫃門禁系統的設計。系統基於Zigbee數傳網絡進行信號傳輸，極大減少了系統的體積；採用MSP430芯片做爲微控制器，下降了系統的功耗；合理的通訊協議的設計以及PCB板的射頻抗干擾處理，提升了整個系統的可靠性。應用結果代表，該門禁系統電路簡單、效率高、性能穩定。此外，該系統可應用於智能養殖系統、森林防火系統等監控系統，具備普遍地市場應用前景。