摘  要： 結(jié)合新興的低功耗的Z-Wave短距無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于酒店的智能指紋鎖無(wú)線管理與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的門鎖硬件電路包括主控制器S3C2440、指紋采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及ZM3102無(wú)線模塊，對(duì)門鎖節(jié)點(diǎn)中Z-Wave通信模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并研究了Z-Wave網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、軟件開(kāi)發(fā)，充分考慮指紋數(shù)據(jù)傳輸的方案設(shè)計(jì)，并對(duì)傳輸性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠在低功耗工作情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和控制，并且運(yùn)行良好。
關(guān)鍵詞： Z-Wave；ARM；指紋鎖；指紋數(shù)據(jù)傳輸

    隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信以及嵌入式計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)概念的提出與應(yīng)用推廣，短距無(wú)線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息傳輸通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-2]。Z-Wave[3-4]是丹麥Zensys公司推出的一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有比ZigBee更低的功耗和更高傳輸距離，在智能家居應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢(shì)[5-6]。國(guó)外Yaledigital、Baldwin及國(guó)內(nèi)Followgood等公司將Z-Wave用于智能指紋門鎖上，實(shí)現(xiàn)了指紋門鎖的遠(yuǎn)程控制與反饋，但是它們僅利用Z-Wave作控制，卻未用于指紋數(shù)據(jù)的傳輸。
    本文將Z-Wave無(wú)線通信技術(shù)與ARM[7-8]嵌入式技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于酒店指紋密碼鎖上，旨在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和指紋數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于酒店客戶的無(wú)線智能指紋鎖方案，方便酒店人員對(duì)門鎖進(jìn)行管理和控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由前端、中端、后端三部分組成。系統(tǒng)前端為Z-Wave指紋門鎖，是該系統(tǒng)的核心部分，用于采集用戶指紋及密碼等輸入、開(kāi)關(guān)門禁、防撬警報(bào)等。系統(tǒng)中端為Z-Wave路由節(jié)點(diǎn)，用于接力無(wú)線信號(hào)和傳輸路徑選擇，該路由節(jié)點(diǎn)可為市場(chǎng)上已有非電池供電類Z-Wave認(rèn)證產(chǎn)品，如Z-Wave燈座等。系統(tǒng)后端由PC上位機(jī)管理控制可視化軟件與Z-Wave USB Dongle插件組成，本文設(shè)計(jì)采用Aeon Labs公司生產(chǎn)的Z-Stick[9]作為PC控制終端接收的插件。

    系統(tǒng)的用戶信息傳輸及驗(yàn)證流程如下：用戶在后端PC上進(jìn)行指紋采集、密碼設(shè)置等信息登記，通過(guò)連接PC的Z-Stick將指紋、密碼等數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給目標(biāo)門鎖。如果目標(biāo)門鎖距離不在Z-Stick直接傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)，Z-Stick會(huì)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)門鎖。最終門鎖接收到數(shù)據(jù)信息并保存。當(dāng)用戶開(kāi)門時(shí)輸入指紋或密碼，門鎖內(nèi)的ARM處理器會(huì)對(duì)輸入信息與保存在存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證通過(guò)則為用戶開(kāi)鎖。
    系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、警報(bào)等信號(hào)傳輸流程與上述信息傳輸類似。用戶使用記錄、警報(bào)等信息上傳為上述信息傳輸?shù)哪孢^(guò)程，由前端往后端傳輸。傳輸結(jié)束后，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，等待外部信號(hào)（指紋、鍵盤、無(wú)線、防撬觸動(dòng)等）以外部中斷方式喚醒系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括主控制器S3C2440和存儲(chǔ)器模塊、電源管理模塊、Z-Wave無(wú)線通信模塊、指紋采集和矩陣鍵盤輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。系統(tǒng)硬件分為ARM核心板、Z-Wave無(wú)線通信板和外圍電路擴(kuò)展底板。1.2 V電源為ARM內(nèi)核供電、1.8 V/2.5 V/3.3 V電源為存儲(chǔ)器供電、3.3 V電源為IO和Z-Wave供電、5 V電源為U盤/SD卡/指紋采集模塊/LED背光供電、12 V電源為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電。當(dāng)用戶通過(guò)指紋采集模塊為輸入正確的指紋或是通過(guò)矩陣鍵盤輸入正確的開(kāi)鎖密碼，以及PC端通過(guò)遠(yuǎn)程為用戶發(fā)出開(kāi)鎖信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為用戶開(kāi)鎖。鍵盤輸入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為用戶開(kāi)啟LED背光，并伴有蜂鳴器發(fā)出的按鍵音提示。倘若防撬開(kāi)關(guān)被觸動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)立即向后端發(fā)送無(wú)線警報(bào)信號(hào)。SD卡和U盤接口為當(dāng)無(wú)線傳輸不可用時(shí)，用于人工插入外部存儲(chǔ)設(shè)備并導(dǎo)入用戶指紋、密碼設(shè)置以及系統(tǒng)程序的更新升級(jí)。

2.1 核心處理器選擇
    由于本文門鎖系統(tǒng)工作在電池供電及指紋數(shù)據(jù)運(yùn)算等情況下，要求系統(tǒng)核心控制器具有較低功耗，有較強(qiáng)的運(yùn)算能力且具有豐富的硬件接口。綜合考慮，核心處理器選擇三星公司的基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC微控制器S3C2440[8]，其具有豐富的片上資源(如16 KB指令Cache、16 KB數(shù)據(jù)Cache等)和外部硬件接口（IIC、SPI、USART等）。
2.2 無(wú)線通信模塊電路
    無(wú)線通信模塊電路如圖3(a)所示，包括Z-Wave模塊ZM3102[3]、EEPROM以及天線和匹配電路。Sigma Designs公司開(kāi)發(fā)的ZM3102模塊是一塊高度集成的射頻通信模塊，載有ZW0301芯片、晶振、射頻前端和電源濾波，通過(guò)異步串行接口與外部數(shù)據(jù)通信，其實(shí)物如圖3(b)所示。無(wú)線通信模塊板上的非易失性外部存儲(chǔ)EEPROM用于存儲(chǔ)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌仁沟弥匦律想姾笠廊槐３值綦娗暗木W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。由于鎖體被安裝嵌入至門內(nèi)與墻體相連，并且鎖體外殼為金屬材質(zhì)，對(duì)電磁信號(hào)有強(qiáng)屏蔽作用，增加了對(duì)無(wú)線信號(hào)的阻礙，故將天線接口設(shè)計(jì)成SMA接口，便于將天線引至鎖體外表面。
3 Z-Wave網(wǎng)絡(luò)與軟件架構(gòu)
     Zensys公司提供的Z-Wave 軟件開(kāi)發(fā)工具箱（SDK），其不同的版本對(duì)不同系列芯片的組網(wǎng)與通信功能有所區(qū)別。本文基于SDK版本04.54.01進(jìn)行無(wú)線通信功能開(kāi)發(fā)。
3.1 Z-Wave網(wǎng)絡(luò)
      如圖4所示，Z-Wave網(wǎng)絡(luò)是一種最多支持232個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Mesh Network），Z-Wave協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)由兩種基本設(shè)備組成：控制節(jié)點(diǎn)（Controller）和從節(jié)點(diǎn)（Slave）。Controller能夠建立、管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，能夠向Slave發(fā)出網(wǎng)絡(luò)命令；Slave是接收命令的節(jié)點(diǎn)，提供傳感數(shù)據(jù)或者執(zhí)行命令響應(yīng)。Controller又被分為便攜式的（Portable）、靜止的（Static）及橋接（Bridge）3類；Slave可以分為3類：普通的、路由型（Routing）、增強(qiáng)型（Enhanced）。建立Z-Wave網(wǎng)絡(luò)，要求必須要有一個(gè)Controller。本文中以后端的Z-Stick作為Controller進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，按加入節(jié)點(diǎn)的順序?yàn)楣?jié)點(diǎn)分配Node ID，Z-Stick的Node ID=1（默認(rèn)）。Slave也可根據(jù)供電方式分為市電供電和電池供電兩類，特別注意電池供電類Slave無(wú)法進(jìn)行路由選擇和中繼，如本文中的門鎖設(shè)備。

3.2 Z-Wave軟件架構(gòu)
    Z-Wave SDK提供方便開(kāi)發(fā)的軟件架構(gòu)、應(yīng)用程序接口（API）及程序流程，如圖5所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行系統(tǒng)建立（System Startup）、硬件初始化（ApplicationInitHW）配置硬件環(huán)境、軟件初始化（ApplicationInitSW）設(shè)置通信模式、速率、網(wǎng)絡(luò)信息、從EEPROM里讀取節(jié)點(diǎn)信息等，接著進(jìn)入主循環(huán)（ApplicationPoll），最終調(diào)用Z-Wave協(xié)議棧[10]。

    主循環(huán)程序以switch-case編寫的狀態(tài)機(jī)方式等待、接收、分析、回應(yīng)等處理串口數(shù)據(jù)幀。若硬件初始化失敗則進(jìn)入測(cè)試主體（ApplicationTestPoll）。模塊天線接收到信息并正確解析后，將以中斷方式調(diào)用ApplicationCommandHandler來(lái)進(jìn)一步對(duì)信息幀進(jìn)行處理。在組網(wǎng)或者是網(wǎng)絡(luò)信息變更時(shí)，Controller和Slave節(jié)點(diǎn)會(huì)分別調(diào)用ApplicationControllerUpdate和ApplicationSlaveUpdate更新響應(yīng)。
4 數(shù)據(jù)傳輸
    ARM主控制器以波特率115 200 b/s、8 bit無(wú)校驗(yàn)數(shù)據(jù)位、1 bit停止位方式通過(guò)異步串行口(UART)與Z-Wave無(wú)線模塊進(jìn)行通信。其幀定義如圖6所示，幀頭SOF為0x01，長(zhǎng)度LEN為除SOF和CHECKSUM外所有的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，類型TYPE有兩種：請(qǐng)求REQ(0x00)和應(yīng)答RES(0x01)，命令COMMAND為SDK規(guī)定的命令類型，負(fù)載PAYLOAD為應(yīng)用數(shù)據(jù)，校驗(yàn)CHECKSUM是0xFF與除SOF和CHE-CKSUM外所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。

    本文設(shè)計(jì)的指紋鎖采集一枚用戶指紋的數(shù)據(jù)大小為1 600 B，在使用Z-Wave進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要將指紋數(shù)據(jù)分段成多個(gè)幀。由于Z-Wave無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀長(zhǎng)度限制，除去協(xié)議幀頭、長(zhǎng)度、命令校驗(yàn)等，考慮到應(yīng)用層協(xié)議也將消耗多個(gè)字節(jié)，本文方案設(shè)定每一幀傳輸?shù)闹讣y數(shù)據(jù)量為40 B，分成40次傳輸。指紋數(shù)據(jù)傳輸流程與控制如圖7所示，數(shù)據(jù)傳輸初始先發(fā)送一幀總的信息幀，包含用戶ID、密碼、數(shù)據(jù)幀數(shù)量和定義、時(shí)間戳等內(nèi)容，接著發(fā)送指紋數(shù)據(jù)。每一幀數(shù)據(jù)發(fā)送后都會(huì)等待接收方回復(fù)確認(rèn)（ACK）再發(fā)送下一幀，直至所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。如果未能收到接收方的ACK，則停留100 ms后再次嘗試發(fā)送該幀，最多可嘗試5次。

5 系統(tǒng)傳輸測(cè)試結(jié)果
    在室內(nèi)、走道等建筑體內(nèi)部環(huán)境的不同距離下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試以每組20次傳輸為基礎(chǔ)，一共傳輸820幀（16 800 B）數(shù)據(jù)，最后統(tǒng)計(jì)取平均數(shù)做為結(jié)果，傳輸丟包率與傳輸距離的關(guān)系如表1所示，其中A項(xiàng)數(shù)據(jù)為用PCB天線傳輸測(cè)得，B項(xiàng)數(shù)據(jù)為外接天線測(cè)得。

    從測(cè)試結(jié)果可以看出：由于受建筑內(nèi)部室內(nèi)墻體、走道拐角等環(huán)境因素的影響，在傳輸距離增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e(cuò)概率加大。在不加功率放大(PA)的情況下，Z-Wave無(wú)線信號(hào)傳輸距離有限，板載PCB天線與外接天線在傳輸性能上有所差異，PCB天線傳輸距離約為25 m，外接天線時(shí)傳輸距離有一定提高，能達(dá)到30 m以上。為減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率和丟幀率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃?，?jié)點(diǎn)間隔較大時(shí)應(yīng)適當(dāng)加入中繼節(jié)點(diǎn)，或者考慮使用PA對(duì)信號(hào)功率放大以增加傳輸距離。
    測(cè)試過(guò)程中使用了Sigma Designs公司提供的無(wú)線偵聽(tīng)測(cè)試軟件Zniffer，選用一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)燒錄sniffer_ZW030x固件，通過(guò)RS232串口線與PC連接，PC客戶端Zniffer能夠解析偵聽(tīng)設(shè)備并捕捉到節(jié)點(diǎn)間傳輸信息。該軟件能夠輔助分析數(shù)據(jù)出錯(cuò)的原因，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的可行性和有效性。
    本文將Z-Wave無(wú)線通信技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)與指紋鎖結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種酒店應(yīng)用的智能化的無(wú)線指紋鎖管理控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有指紋鎖無(wú)法遠(yuǎn)程傳輸指紋的不足，拓寬了指紋鎖的功能與應(yīng)用范圍，提高了實(shí)用性與可靠性。
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