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

近年來，國家電網提出了建設智能電網的要求，為了響應此要求，各供電分公司逐漸深入落實關于加強安全生產和變電站內重要設備的管理，關鍵在于如何有效地監控相關人員對變電站機柜內的重要設備進行各種授權的操作。眾所周知，變電站機房等高壓場所的通信和監控設備大都安裝在機柜內，在日常維護中，進出人員比較多，要實現對機柜內的設備的智能化管理，防止非法闖入，機柜門禁系統應具有有效的手段進行監控，并且能最大程度的為管理人員提供全面、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滿足上述智能化要求，其原因是機械式門禁系統防開啟性能差，不便于集中管理；另一方面，基于CAN總線的智能門禁系統雖可進行集中管理，但控制器之間采用RS232等通信措施具有布線復雜、成本高的缺點。

文中提出了一種基于Zigbee無線模塊的變電站機柜智能門禁系統設計方案。在應用中，將傳統的鑰匙管理轉變為使用者權限登陸管理，控制器采集信號發布到上位機網絡，以便高層次用戶通過瀏覽器登陸查看與控制，有效地增強了變電站設備的安全性，系統采用Zigbee無線模塊，解決了布線復雜、成本高的缺點，實現了變電站門禁系統的智能化管理。

1 機柜門禁系統工作原理

系統由上位機、主控器系統、分布的電子鎖系統組成。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作為服務器，上位機軟件基于LabView開發平臺，通過Modbus協議實現上位機與主控制器系統之間通訊。用戶通過密碼登錄上位機管理系統，可獲取數據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送命令給控制器來獲取各個鎖的開關狀況，進一步實現控制，并控制器獲取到的信息記錄在數據庫中，發布到上位機網絡；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訊，與分布式電子鎖間采用Zigbee數傳模塊通信網絡。分布的電子鎖系統以低功耗MSP430為控制器，使用繼電器控制來控制電子鎖的開關狀態的轉換。檢測傳感器來監控鎖的狀態并通過Zigbee模塊將數據發送給主控制器。

2 機柜門禁系統實現方案

無線電子鎖作為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。其中主控制器類似于無線傳感網中的匯聚節點，在分布式電子鎖與上位機之間具有承上啟下的作用。

2．1硬件電路設計

系統硬件電路設計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，采用Zigbee無線模塊來實現與主控制器之間的通信，利用繼電器控制電子鎖的打開，檢測傳感器來監控鎖的狀態；主控制器通過鍵盤輸入命令，運用Zigbee模塊與分布式電子鎖通信，查詢鎖的狀態；最終，將結果傳至上位機，發布至局域網內，供上層管理者查詢，其硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件總體框圖

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，設計過程中不僅僅要考慮其功能和開發環境，還要注意控制器本身的功耗及其節能方法。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。MSP430單片機是專為低功耗系統設計而研制的新型16位單片機，具有5種低功耗模式，中斷喚醒時間為1us，既降低了系統功耗又可以對硬件請求和事件作出快速反應。結合MSP430單片機的多種節能模式，低功耗設計采取以下措施：

1）單獨控制無線收發模塊的電源開關，在通信時開啟控制電源；

2）在電子鎖休眠狀態時，單片機處于低功耗模式。

2．3無線通信技術的方案

主控制器與分布式電子鎖采用以NRF905為核心的Zigbee數傳模塊，避免了采用導線引起的信號衰減和干擾、線路復雜的缺點，同時可以滿足體積小、功耗低、方便設計的要求。NRF905可以工作在433／868／915MHz頻段，它由頻率調制器，功率放大器，帶解調器的接收器，晶體振蕩器和調制器組成。在不加功放時，NRF905能在300m內正常通信，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，能夠很容易地識別地址，實現多機通信，簡化了程序設計。此外，該Zigbee數傳模塊在通信時功耗低，節能效果顯著，在發射功率為-10 dB時發射電流為30 mA，接收電流為12．5 mA，待機模式下電流僅為12．5uA。其電路如圖3所示。

圖3 無線收發模塊硬件電路圖

在射頻通信中，PCB板的走線設計直接關系到整體的性能。在設計PCB時，應該重點注意銅箔走線都要采用微帶傳輸線的設計原理，實際設計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。

2．4主控制器工作實現

系統軟件設計分為：分布式電子鎖程序、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，接著進入待機模式，等待外部命令。當有操作人員需要進入控制房進行作業時，在主控制器輸入密碼，進入系統進行相應操作。主程序掃描到鍵盤輸入后，判斷與設定密碼是否相符，如果正確則進入到控制界面，否則提示重新輸入密碼。

圖5 發送子程序

在控制界面，操作人員可輸入查看和設置分布式電子鎖狀態的相關命令；當檢測到相關命令后，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，當檢測到需要發送數據時，對SPI接口進行配置，當檢測到TRX_CE為0時，啟動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后，系統返回主程序進入休眠模式。掃描是否有數據可以接收，當檢測到有數據進行接收時，系統啟動喚醒模式，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，分布式電子鎖發送數據，進行CRC校驗，校驗無誤后，對數據進行提出直到數據接收完畢，最后返回主程序顯示結果。

3 本系統設計的優點

1）操作簡單、界面友好、適用性強。上位機采用LabView設計；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。

圖7 控制器界面

下位機分布式電子鎖稍加修改，添加其它傳感器就可以應用于其它場合無線傳感測控系統的開發設計，因此具有很強的適用性。

2）功耗低、可靠性高。系統設計充分利用了MSP430的低功耗模式，當電子鎖處于休眠模式時，MSP430處于LMP3模式。使用Zigbee無線通訊技術，相對傳統設計提高了系統可靠性，降低了系統的成本。

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，此外每個主控制器都可以控制120個分布式電子鎖，充分利用了系統資源。

4）性價比高。設計任何一種產品，不僅僅要考慮其實用性，還必須考慮其性價比。越高的性價比就越有可能得到市場的認可。在本設計中，可以看到其成本比較低，而其功能（實時監控、遠程通訊、控制管理、權限分配、風險管理等）比較豐富，系統具有很高的性價比。

4 結束語

文中基于Zigbee無線模塊進行了變電站機柜門禁系統的設計。系統基于Zigbee數傳網絡進行信號傳輸，極大減小了系統的體積；采用MSP430芯片作為微控制器，降低了系統的功耗；合理的通信協議的設計以及PCB板的射頻抗干擾處理，提高了整個系統的可靠性。應用結果表明，該門禁系統電路簡單、效率高、性能穩定。此外，該系統可應用于智能養殖系統、森林防火系統等監控系統，具有廣泛地市場應用前景。
編輯：hfy