基于Zigbee无线模块的变电站机柜门禁系统设计案例

智能门禁系统，作为一种智能化的安全管理系统，不仅可以随时记录各类人员的操作情况，还可以根据用户等级来授予不同的访问权限，进而有效的制止非法操作。

近年来，国家电网提出了建设智能电网的要求，为了响应此要求，各供电分公司逐渐深入落实关于加强安全生产和变电站内重要设备的管理，关键在于如何有效地监控相关人员对变电站机柜内的重要设备进行各种授权的操作。众所周知，变电站机房等高压场所的通信和监控设备大都安装在机柜内，在日常维护中，进出人员比较多，要实现对机柜内的设备的智能化管理，防止非法闯入，机柜门禁系统应具有有效的手段进行监控，并且能最大程度的为管理人员提供全面、完整和精细的控制状态图，进而实现精细、准确、及时的管理。

但传统门禁系统难以满足上述智能化要求，其原因是机械式门禁系统防开启性能差，不便于集中管理；另一方面，基于CAN总线的智能门禁系统虽可进行集中管理，但控制器之间采用RS232等通信措施具有布线复杂、成本高的缺点。

文中提出了一种基于Zigbee无线模块的变电站机柜智能门禁系统设计方案。在应用中，将传统的钥匙管理转变为使用者权限登陆管理，控制器采集信号发布到上位机网络，以便高层次用户通过浏览器登陆查看与控制，有效地增强了变电站设备的安全性，系统采用Zigbee无线模块，解决了布线复杂、成本高的缺点，实现了变电站门禁系统的智能化管理。

1 机柜门禁系统工作原理

系统由上位机、主控器系统、分布的电子锁系统组成。其系统设计框图如图1所示。

图1 系统框图

上位机硬件是由一台工控机作为服务器，上位机软件基于LabView开发平台，通过Modbus协议实现上位机与主控制器系统之间通讯。用户通过密码登录上位机管理系统，可获取数据库中工作人员操作分布式电子锁的记录。操作人员通过控制器发送命令给控制器来获取各个锁的开关状况，进一步实现控制，并控制器获取到的信息记录在数据库中，发布到上位机网络；上位机设置使用者查看权限，以便同一局域网内的高层次用户通过浏览器登陆查看与控制。操作人员采用密码的形式登录控制器，利用按键实现控制器对电子锁状态查看和控制的命令发送。

控制器利用RS232协议与上位机进行通讯，与分布式电子锁间采用Zigbee数传模块通信网络。分布的电子锁系统以低功耗MSP430为控制器，使用继电器控制来控制电子锁的开关状态的转换。检测传感器来监控锁的状态并通过Zigbee模块将数据发送给主控制器。

2 机柜门禁系统实现方案

无线电子锁作为机电一体化的一种应用，系统集成了控制器、Zigbee无线模块、锁具等。其中主控制器类似于无线传感网中的汇聚节点，在分布式电子锁与上位机之间具有承上启下的作用。

2．1硬件电路设计

系统硬件电路设计主要有分布式电子锁和主控制器两个模块。分布式电子锁是以MSP430为核心的低功耗控制系统，采用Zigbee无线模块来实现与主控制器之间的通信，利用继电器控制电子锁的打开，检测传感器来监控锁的状态；主控制器通过键盘输入命令，运用Zigbee模块与分布式电子锁通信，查询锁的状态；最终，将结果传至上位机，发布至局域网内，供上层管理者查询，其硬件电路框图如图2所示。

图2 系统硬件总体框图

2．2低功耗设计

低功耗设计最重要的环节是控制芯片的选择，设计过程中不仅仅要考虑其功能和开发环境，还要注意控制器本身的功耗及其节能方法。分布式电子锁与主控制器的核心芯片采用TI公司的MSP430单片机。MSP430单片机是专为低功耗系统设计而研制的新型16位单片机，具有5种低功耗模式，中断唤醒时间为1us，既降低了系统功耗又可以对硬件请求和事件作出快速反应。结合MSP430单片机的多种节能模式，低功耗设计采取以下措施：

1）单独控制无线收发模块的电源开关，在通信时开启控制电源；

2）在电子锁休眠状态时，单片机处于低功耗模式。

2．3无线通信技术的方案

主控制器与分布式电子锁采用以NRF905为核心的Zigbee数传模块，避免了采用导线引起的信号衰减和干扰、线路复杂的缺点，同时可以满足体积小、功耗低、方便设计的要求。NRF905可以工作在433／868／915MHz频段，它由频率调制器，功率放大器，带解调器的接收器，晶体振荡器和调制器组成。在不加功放时，NRF905能在300m内正常通信，加功放之后，其通信距离可以增加到1 000m。采用NRF905的Shock Burst技术，能够很容易地识别地址，实现多机通信，简化了程序设计。此外，该Zigbee数传模块在通信时功耗低，节能效果显著，在发射功率为-10 dB时发射电流为30 mA，接收电流为12．5 mA，待机模式下电流仅为12．5uA。其电路如图3所示。

图3 无线收发模块硬件电路图

在射频通信中，PCB板的走线设计直接关系到整体的性能。在设计PCB时，应该重点注意铜箔走线都要采用微带传输线的设计原理，实际设计中采用了光电隔离模块，以减少反射引起的传输损耗，获取较大的输出功率和较高的接收灵敏度。

2．4主控制器工作实现

系统软件设计分为：分布式电子锁程序、控制器主程序以及上位机程序。其控制器主程序流程图如图4所示。

图4 控制器主程序

系统上电后，主程序首先完成初始化（中断、LCD、串口模块、Zigbee模块等）工作，接着进入待机模式，等待外部命令。当有操作人员需要进入控制房进行作业时，在主控制器输入密码，进入系统进行相应操作。主程序扫描到键盘输入后，判断与设定密码是否相符，如果正确则进入到控制界面，否则提示重新输入密码。

图5 发送子程序

在控制界面，操作人员可输入查看和设置分布式电子锁状态的相关命令；当检测到相关命令后，系统唤醒Zigbee模块，准备数据发送，系统跳转到发送子程序当中，其发送子程序如图5所示，当检测到需要发送数据时，对SPI接口进行配置，当检测到TRX_CE为0时，启动ShockBurst（RX）模式，系统发送数据，循环检测数据是否发送完毕，当检测到数据发送完毕后，系统返回主程序进入休眠模式。扫描是否有数据可以接收，当检测到有数据进行接收时，系统启动唤醒模式，进入接收子程序如图6所示。

图6 接收子程序

判断是否有同频载波以及地址是否相匹配，当载波频率与地址相匹配时，对载波检测电平进行置位，分布式电子锁发送数据，进行CRC校验，校验无误后，对数据进行提出直到数据接收完毕，最后返回主程序显示结果。

3 本系统设计的优点

1）操作简单、界面友好、适用性强。上位机采用LabView设计；主控制器的采用键盘控制，12864液晶显示，操作简洁，界面友好，如图7所示。

图7 控制器界面

下位机分布式电子锁稍加修改，添加其它传感器就可以应用于其它场合无线传感测控系统的开发设计，因此具有很强的适用性。

2）功耗低、可靠性高。系统设计充分利用了MSP430的低功耗模式，当电子锁处于休眠模式时，MSP430处于LMP3模式。使用Zigbee无线通讯技术，相对传统设计提高了系统可靠性，降低了系统的成本。

3）高效率、高利用率。采用MSP430和NRF905在不同模式下，控制电子锁，休眠时不作处理具有高效利用资源的特点，此外每个主控制器都可以控制120个分布式电子锁，充分利用了系统资源。

4）性价比高。设计任何一种产品，不仅仅要考虑其实用性，还必须考虑其性价比。越高的性价比就越有可能得到市场的认可。在本设计中，可以看到其成本比较低，而其功能（实时监控、远程通讯、控制管理、权限分配、风险管理等）比较丰富，系统具有很高的性价比。

4 结束语

文中基于Zigbee无线模块进行了变电站机柜门禁系统的设计。系统基于Zigbee数传网络进行信号传输，极大减小了系统的体积；采用MSP430芯片作为微控制器，降低了系统的功耗；合理的通信协议的设计以及PCB板的射频抗干扰处理，提高了整个系统的可靠性。应用结果表明，该门禁系统电路简单、效率高、性能稳定。此外，该系统可应用于智能养殖系统、森林防火系统等监控系统，具有广泛地市场应用前景。
编辑：hfy