CN101477720A

CN101477720A - 门禁***

Info

Publication number: CN101477720A
Application number: CNA2009100953976A
Authority: CN
Inventors: 许仁德; 李求根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明公开了一种用于多用户、多门分散控制以及多门联动控制的门禁***，其包括：出入口控制的门禁控制主设备及配套设备，且所述门禁***采用自主设计的门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输，本发明将无线门禁对讲和可视技术相结合，具有先进性和实用性，除了确保安全以外，无线可视门禁***的安装、操作以及维护都非常的简单、便利，且无线网络具有可移动性，安全性强和便捷性高，操作更人性化，自动化程度高，费用低。

Description

门禁***

技术领域

本发明涉及一种门禁***，尤其涉及一种智能无线门禁***。

背景技术

随着技术的进步，门禁控制***的发展从机械锁具到电子门禁，从单独的门禁***到报警一体化，从单个门禁控制到网络互联。虽然目前应用较多的是有线门禁***，但根据市场需求分析和前景预测，无线门禁***无疑更适用于要求日益提高的安防产业。

无线门禁***是随着自动识别技术的发展而迅速发展起来的，门禁技术的发展是从欧美开始产生的，在美国和欧洲都有非常规范的门禁技术行业标准。国外门禁***的知名品牌有美国的休斯(HID)、西屋(WSE)、洛泰克(NTK)，以色列的DDS、英国的集宝等品牌。目前，国内外研制和使用的门禁***主要集中在感应门禁***和生物识别门禁***。在生物识别门禁***中又以指纹门禁***应用最为广泛。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别***的体积不断缩小，其价格也不断降低。

欧美门禁***市场正进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的HID公司、h1-dala公司、德国的Destele公司。生产控制器的公司就只研究生产控制器和软件，如美国的Northern Computer公司、CSI公司。随着其产业化的形成，各大专业公司由于其财力的雄厚、技术的先进、市场的先导以及专业人员的积累，垄断势头不断呈现出来。同时，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低。正是由于市场的不断成熟，用户在普遍接受门禁***的观念之后，在采购方面很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行***集成就可为用户方便安装成整套***。

目前，国内外研制和使用的门禁***主要都集中在RFID门禁***和生物识别门禁***。早先的密码门禁***由于其本身的安全性弱和便捷性差将面临淘汰。从1994年RFID(射频卡)进入中国，引发了中国RFID卡的应用革命。在国内，RFID应用领域越来越广，其应用带来了门禁产品的发展。国内门禁***，为了适应高安全度的要求，经历了RFID卡门禁、指纹门禁、面部识别门禁***的变革；为了适应小区、智能大厦的防范***，由单一的门禁功能发展到门禁、考勤、消费、巡更、三表抄送等综合性一卡通***。近年来我国经济水平显著提高，各行各业对于现代安防设备的需求也会越来越多，安防产业因之蓬勃发展。随着国内门禁厂商在产品研发上投入的不断加大，国产门禁产品的性能与稳定性也在不断提升，这也促使开发商有更多的机会选择国产品牌。

总之，现有的传统有线门禁***安装复杂、成本高、对现有建筑加装改造不易；而现有的无线门禁***由于技术问题经常出现操作失灵，自动化连动程度低，费用太高等问题。针对以上问题，如何采用新技术开发更具竞争力的无线门禁***是势在必行的。

发明内容

针对背景技术中所涉及的有线门禁***安装复杂、成本高、对现有建筑加装改造不易；而现有的无线门禁***由于技术问题经常出现操作失灵，自动化连动程度低，费用太高等问题。

本发明涉及一种新的智能无线门禁***，其用于多用户、多门分散控制以及多门联动控制***，包括：出入口控制的门禁控制主设备、配套设备，包括：用于用户室内可视/对讲的用户终端设备、前端识别设备、用于控制电磁门锁的电锁执行设备，且所述门禁***采用自主设计的门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输；且所述门禁***无线传输应用协议栈能够完成自组网、自维护，并对数据传输提供可选的加密保护功能；所述门禁***还包括无线路由设备以及门禁管理工作站；所述门禁***还具有绑定功能，可以将具有一定功能的多个门绑定在一起，并由门禁管理工作站同时控制这些门的联动动作；所述门禁***无线传输应用协议栈中采用了基于链路建立机制的数据帧跨层传输方式；户主可以通过无线可视或者无线对讲方式来确认来客身份，并通过用户终端设备上的操作界面发送命令控制电锁执行设备动作，完成上述门禁控制操作，且门禁管理工作站可以登记被访者的相关信息以便必要时生成报表；所述可以自组织、自维护以及可进行多跳传输便于扩展应用范围的自组织智能网络的组织与维护是由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备来完成的，所述用户终端设备及无线路由设备添加到网络中的方式以及其网络地址的分配都无须用户参与，无线门禁控制主设备和/或无线路由设备自动完成，且当上述两种设备失效或主动退出网络后，无线门禁控制主设备仍可以维护整个网络；所述自组织智能网络的频段可以选择为2.4～2.4836GHz，800～928MHz或300～348MHz，由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备完成相关配置选择不同的通信信道，且当通信号质量较差时可以选择信号质量较高的信道重新建立通信链路且无线网络中数据通信过程提供信号质量指示功能；所述自组织智能网络可以根据应用需要选择组成星型、簇树型以及网状拓扑型等结构；所述主要用于扩展***应用范围的无线路由设备，具有：为用户终端设备提供通信链路的路由功能、根据具体应用选配前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路以及集成有图像采集/语音采集、操作界面、异常报警以及状态指示等子单元，使其兼有用户终端设备功能，且所述门禁***还设有通过门禁管理工作站指示以及语音提醒用户有需要处理的事务功能。

本发明的有益效果是：本发明将无线门禁与可视/对讲技术相结合，提出了基于自主设计的门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介的无线可视/对讲门禁***解决方案，具有先进性和实用性，除了确保安全以外，无线可视门禁***的安装、操作以及维护都非常的简单、便利，且无线网络具有可移动性，能满足布线困难情况下门禁控制的需要，如在旧建筑中重新安装门禁***，采用无线方式可避免重新进行大量钻孔和墙面导线管铺设的麻烦；再者，本发明中，无线节点设备组成的网络具有自组织、自维护的功能，且数据传输可以进行多跳传输，以便扩展应用范围。嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备来完成网络的组织以及维护，同时，用户终端设备、无线路由设备如何添加到网络中以及网络地址的分配都无须用户参与，同样，当上述两种设备失效或主动退出网络后，无线门禁控制主设备仍可以通过链路修复功能维护整个网络中有效节点设备，所以背景技术中提到的经常出现操作失灵，自动化连动程度低、费用太高等技术问题迎刃而解。

附图说明

通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明门禁***的整体结构示意图。

图2为发明门禁***的无线传输应用协议栈体系的结构示意图。

图3为发明门禁***的网络拓扑结构示意图。

图4为本发明门禁***的门禁控制主设备的构成的结构示意图。

图5为本发明门禁***的无线图像传输应用协议栈中各层的设计与实现的结构示意图。

图6为本发明门禁***的链路建立机制流程示意图。

图7为本发明门禁***的图像数据帧跨层传输流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要按比例画出。

如图所示，门禁***已经不是单纯的出入门禁控制，而是逐渐发展成为一套完整的出入管理***。门禁***通过在出入口设置的门禁控制装置来实现对出入人员身份的自动识别以及门锁的控制。该***通过上位机服务中心数据库中存储的人员出入记录实现对门禁点出入事件的监控，同时可以实现访客出入智能管理。门禁***各功能的实现需要相应的设备发挥其各自的作用。本发明首先介绍无线可视门禁的总体结构，然后介绍门禁***无线传输应用协议栈及其组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输的应用，即***中采用的ZigBee技术及其关键技术在无线可视门禁***中的应用。

本发明所述的门禁***主要应用于智能小区、智能楼宇以及企业单位等应用环境，当然更小的应用范围，比如一栋别墅门禁控制可以通过精简***配置实现(在下文中不赘述)。本发明智能无线可视/对讲门禁***按照功能的不同，划分为如下主要的设备：门禁控制主设备(出入口控制)、用户终端设备(用户室内可视/对讲分机)、无线路由设备、前端识别设备(读卡器)、电锁执行设备(电磁门锁)以及门禁管理工作站(管理中心)。

所述门禁***常用的主要工作方式有：

(1)***内部人员出入门智能控制和信息登记。***内部人员通过门禁密钥可以方便地出入门并进行信息登记。该工作方式比较简单，有门禁密钥认证的***内部人员通过前端识别设备登记开门，并记录进入者的信息及时间点等。

(2)访客出入门控制及户主信息登记。当有访客来访时，访客用交互界面启动门禁控制主设备，通过可视门铃功能呼叫户主。户主确认访客信息后进行开门操作允许访客进入。同时门禁管理工作站登记户主的相关信息。

(3)异常状况报警。***可以提供丰富实用的可选报警功能，例如非法闯入报警、门长时间未关闭报警、读取信息失败、电力不足报警等。

该门禁***的主要特点有：

(1)采用ZigBee无线通信技术进行***联网，方便***安装。

(2)添加无线路由设备，很方便地扩展***应用范围。同时，用户终端设备可以具有路由设备的功能，为其他用户终端转发数据，从而使工程造价大大降低，为门禁控制提供了安全可靠而又灵活实施方案。

(3)自动记录人员出入情况，拒绝未授权的来客。***的每个用户终端设备通过门禁控制主设备可以与上位机软件建立通信链路，记录所有进出人员信息以及被访户主的信息。

本门禁***通信是以门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输，即是以ZigBee无线网络为媒介的。***中的门禁控制主设备、用户终端设备、无线路由设备分别是一个无线节点，共同建立整个***的通信链路。其各个功能设备的主要功能有：

门禁控制主设备：嵌入了ZigBee无线图像传输应用协议栈中协调器组网、网络配置以及网络维护等功能，并提供前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路，是门禁***的核心设备，其包括：主控制模块、无线收发模块、图像采集/语音采集压缩模块、按键控制和指示模块以及前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路等，所述主控制模块主要是由微控制器构成控制单元，其中嵌入了门禁***无线传输应用协议栈；所述无线收发模块是由RF收发芯片和天线构成，是完成***通信的核心模块。此外，门禁控制主设备中集成有图像采集、操作界面、异常报警以及状态指示等子单元，给用户提供一个友好的交互平台。

用户终端设备：主要包括主控制模块、无线收发模块、按键控制和指示模块、图像显示/语音采集、门铃等可视门铃告知户主访客访问；完成与户主交互，并由户主应答访客呼叫。用户终端设备外接图像显示、门铃、操作界面以及状态指示等子单元。此外，具有路由功能的用户终端设备具有无线路由设备的功能。

无线路由设备：主要用于扩展***应用范围，提供通信链路扩展的路由功能。无线路由设备当仅仅作为路由器使用时，包括主控制模块和无线收发模块；当同时作为用户终端设备用时，包括用户终端设备的各个组成部分。此外，可以包括主控制模块、无线收发模块、图像采集/语音采集压缩模块、按键控制和指示模块以及前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路，此时它具有门禁控制主设备组织和维护网络功能以外的其它所有功能，实现多用户、多门控制功能。

用户终端设备可以具有路由设备的功能，为其他用户终端设备转发数据，从而使工程造价大大降低，并且可以选择由其提供前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路以及集成有图像采集/语音采集、操作界面、异常报警以及状态指示等子单元，完成多门控制的操作。

前端识别设备：供内部人员通过门禁密钥如RFID卡、指纹或密码卡，登记人员进入信息并启动开门操作。前端识别设备主要提供一个门禁密钥解决方案。目前门禁密钥可以选择的方式也比较多，比如键盘密码方式、接触式IC卡方式、RFID卡方式以及生物识别方式。目前国内外研制和适用的门禁密钥主要都集中在RFID密钥和生物识别密钥。RFID智能卡无需专门供电电源，与读卡器间无机械接触，具有防碰撞能力，能够实现多标签的同时识别，操作方便快捷。MF RC522是Philips公司应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写系列芯中的一员。MF RC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443A的多层应用。MFRC522支持MIFARE更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、12C或串行UART之一，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本。本门禁***采用该方案实现RFID智能卡密钥功能。

电锁执行设备：是门禁***的执行设备。它根据门禁控制主设备的命令完成开关门的操作，并返回给门禁控制主设备开关门操作的状态。电锁执行设备市面上有采用RS-485总线接入的设备。本门禁***中该部分采用如下设计方案：电锁执行设备通过RS-485总线比较方便连接门禁控制主设备的应用环境中，就通过该总线连接；否则可以选用无线ZigBee通信转RS-485方式与***连接。这样设计就便于选择现有的成熟电锁执行设备方案，提高了***设计的灵活性。

门禁管理工作站：通常是在监控室，用门禁管理软件完成进入人员信息登记、产生报表等功能。门禁管理工作站的核心是上位机管理软件，其发明在此只提供了上位机与门禁控制主设备的物理连接方式：串口连接、无线ZigBee转串口连接或RS-485连接。当用户刷卡进入时，设计了指示以及语音提醒该用户有需要处理的事务功能，譬如该用户有信件或需要到门禁管理工作站获取必要信息等。(门禁管理工作站中的管理人员当收到用户的信件以及需要与用户沟通以便提醒用户相应事宜时，给相应门禁控制主设备发送信息并由其保存。当该用户刷卡进入时，由操作界面上的指示及语音提醒该用户到门禁管理工作站或相应地点获取相关信息。且该门禁控制***具有绑定功能，可以将具有一定功能的多个门绑定在一起，由门禁管理工作站同时控制这些门的联动动作。

除上述主要的功能设备外，***中还有出门按钮，供用户完成出门时的开门操作。

本发明门禁***，主要用于多用户、多门分散控制以及多门联动控制***，除了包括上述的：出入口控制的门禁控制主设备、用于用户室内可视/对讲的用户终端设备、前端识别设备、用于电磁门锁的电锁执行设备外，所述门禁***还采用了自主设计的门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输，即该门禁***的通信媒介是自组网的智能网络，具有自组织、自维护的功能，并对数据传输提供可选的加密保护的是由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备来完成的。同时，用户终端设备、无线路由设备如何添加到网络中以及网络地址的分配等都无须用户参与。同样当上述两种设备失效或主动退出网络后，无线门禁控制主设备仍可以维护整个网络(当然节点必须在有效通信范围内)。且该无线网络可以组成网状拓扑结构，完成多用户、多点门禁控制操作。组网、网络配置以及网络维护等功能是由门禁控制主设备来完成的，而且一个网络中只有一个门禁控制主设备。该无线传输应用协议栈加快了数据传输效率，提高了图像/语音传输的质量。基于的多用户无线可视/对讲门禁***，其自组织智能网络的特征在于该网络具有自组织、自维护以及可以进行多跳传输。

所述门禁***无线传输应用协议栈能够完成自组网、自维护，并对数据传输提供可选的加密保护功能，本发明中所述的无线传输应用协议栈具体是指基于ZigBee无线通信技术而建立的，本发明无线传输应用协议栈采用了ZigBee无线通信技术，该技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术。ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术规范。其中IEEE 802.15.4标准把低成本、低功耗、低数据传输率作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准，是低速个人区域网络标准。该标准定义了物理层(PhysicalLayer，PHY)和介质访问层(Medium Access Layer，MAC)。为了推出与IEEE802.15.4标准相配套的网络层及应用层的规范，ZigBee联盟应运而生，从IEEE802.15.4标准开始着手，制定了ZigBee规范。ZigBee规范在IEEE 802.15.4标准的基础上定义了一个分层协议，即ZigBee协议。基于ZigBee协议构建的无线网络，具有自组织、多跳路由、动态拓扑的组网特点。ZigBee无线协议复杂性低，资源需求小，主要具有以下特点；

(1)低功耗：收发信息功耗低以及设备具有激活和休眠两种状态。与蓝牙、Wi-Fi等其它无线网络技术相比，ZigBee设备具有极低功耗和极长寿命的显著优点。

(2)低成本：协议简单且所需存储空间小，这大大降低了ZigBee的成本，且无线收发芯片价格大约2美元，而且ZigBee协议免专利费。

本发明无线传输应用协议栈构建了星型网络和簇树网络及网状拓扑结构，可以根据应用需要进行选择，频段可以选择为2.4～2.4836GHz，800～928MHz或300～348MHz，由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备完成相关配置选择不同的通信信道，且当通信号质量较差时可以选择信号质量较高的信道重新建立通信链路。无线网络中数据通信过程提供信号质量指示功能；并分别在这网络中设计了无线可视门禁***平台，完成了无线图像传输相关功能测试。测试结果显示，图像数据传输高效、可靠，ZigBee无线图像传输应用协议栈稳定，适合本发明无线可视/对讲门禁***的应用。

本发明所设计的ZigBee无线图像传输应用协议栈与ZigBee协议标准兼容，并创新地采用基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式进行图像数据传输。

因此，本发明同时实现的内容有：

(1)设计基于ZigBee技术的无线可视门禁***完整解决方案，给出***中各个功能设备实现方案。

(2)设计并搭建门禁控制主设备、用户终端设备、无线路由设备的硬件平台。

(3)基于Microchip免费ZigBee协议栈设计适合该应用背景和硬件平台的ZigBee无线图像传输应用协议栈，创新性地设计基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式。

(4)基于ZigBee无线图像传输应用协议栈构建无线可视门禁***应用程序对象，分别组建星型网络和簇树网络，完成实际图像传输测试工作。

(3)时延短：通信时延和从休眠状态到激活状态时延都比较短，并针对时延敏感的应用作了优化。

(4)网络容量大：每个ZigBee网络可以容纳65535个节点。

(5)传输范围有限：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10～70m，能覆盖普通的家庭和办公场所；当加大天线的发射功率后，可以增加传输距离。

(6)数据传输率低：2.4GHz频段为250kbits/s。

(7)数据传输的可靠性较高：由于ZigBee采用了载波侦听多路接入冲突避免(CSMA-CA)机制，同时MAC层可以采用完全确认数据传输机制以及CCM模式下执行AES-128加密算法。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

IEEE 802.15.4标准制定了物理(PHY)层和介质访问控制(MAC)层的规范。物理层规范确定无线网络的工作频段以及该频段上传输数据的基准传输速率，定义了物理无线信道以及和MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。数据服务从无线物理信道上收发数据，管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。介质访问层规范定义了在同一区域工作的多个IEEE 802.15.4设备如何共享该频段。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz、915MHz和868MHz。每个频带提供固定数量的信道，2.4GHz总共提供16个信道(信道11—26)，该频带为全球通用的工业、科学、医学(ISM：Industrial，Scientific and Medical)。915MHz频带提供了10个信道(信道1—10)，而868MHz频带提供1个信道(信道0)。数据传输速率有所选择的工作频率决定，2.4GHz频带提供的数据速率为250kbps，915MHz频带提供的数据速率为40kbps，而868MHz频带提供的数据速率为20kbps。MAC层也提供了两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC层协议状态相关信息的数据库。

ZigBee堆栈的不同层与IEEE 802.15.4MAC层通过服务访问点(Service AccessPoint，SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee堆栈的大多数层有两个接口：数据实体SAP和管理实体SAP。数据实体SAP的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体SAP的目标是向上层提供访问内部参数、配置和管理数据的机制。

应用层(Application Layer，APL)包括应用支持层(Application Supply Layer，APS)、ZigBee设备对象(ZigBee Divice Object，ZDO)、ZDO管理平台和由生产商定义的应用对象。应用支持层任务是维护连接表和在连接的设备之间发送信息。ZDO的任务包括定义网络中设备的角色(协调器或终端设备)、发现网络中新的设备并决定其提供什么应用服务、初始化或响应连接请求以及设置网络中设备之间的安全关系。

ZigBee网络层(Network Layer，NWK)负责节点加入或离开网络、帧安全和寻找最佳路由。此外，网络层还负责不同设备间的路由发现和维护、单跳邻居节点的发现以及相关邻居节点信息的存储。ZigBee协调器的网络层还要负责新的网络的组建，并为新的关联设备分配地址。

安全服务提供层(Security Service Provider)为ZigBee网络提供安全机制。

按照功能的完整性，IEEE802.15.4定义了两种设备：全功能设备(FullFunctionDevice，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)。全功能设备可以与精简功能设备或者其它全功能设备通信，而精简功能设备只能和全功能设备通信。ZigBee标准在此基础上定义了三种网络设备：个域网协调器(PAN Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(End Device)。PAN协调器是网络建立的起点，负责ZigBee网络的初始化，确定个域网标识符(PAN Identifier)和网络工作的物理信道，并统筹短地址的分配。ZigBee协调器必须是全功能设备，并且一个ZigBee网络只有一个PAN协调器。ZigBee路由器是一个全功能设备，添加到PAN Coordinator组建的网络中，它能获得一定的16短地址空间，在其通信范围内，它能够允许其它节点添加或者离开网络，分配及收回短地址，路由及转发数据。ZigBee终端设备，即可以是全功能设备也可以是精简功能设备，它只能与其父节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。

本发明设计的无线可视门禁***中定义了门禁控制主设备、用户终端设备、无线路由设备三种网络设备。其中，门禁控制主设备完成个域网协调器的所有功能，是FFD设备；用户终端设备可以具有路由器的功能，其必须是FFD设备；路由设备只是完成转发数据帧的功能，也必须是FFD设备。

IEEE 802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构(Star)、簇状结构(Cluster tree)和网状结构(Mesh)，如图3所示。

星型网络由一个PAN协调器和一个或多个终端节点组成的，是以PAN协调器为中心的，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点(终端节点)分布在PAN协调器的覆盖范围内，直接与PAN协调器进行通信。星型网络的形成过程中，第一步就是建立PAN协调器。任何一个FFD设备都有成为PAN协调器的可能。一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定，而本发明软件设计中的策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询PAN协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的PAN协调器。PAN协调器要为网络选择一个惟一的标识符(PANID)，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。选择一个标识符后，PAN协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，先把各自的数据包发送给PAN协调器，然后由PAN协调器转发给对方。

在簇树型网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。在该网络中，同样也只有一个FFD设备可以充当整个网络的个域网(PAN)协调器。PAN协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。PAN协调器首先将自己设为簇头(cluster header，CLH)，并将簇标识符(cluster identifier，CID)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由PAN协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。所有添加到网络中的设备可以与其父设备进行信息交换。上面讨论的只是一个由单簇构成的最简单的簇树。PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。

MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，每一个节点至少与其他两个节点相连，可以通过“多级跳”的方式来通信，该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络。MESH网状拓扑结构具有较高的可靠性，还具备自组织、自愈功能，但其结构复杂，实现和维护都比较复杂。

无线传感器网络实际应用中，经常根据应用需要来灵活地选择合适的网络拓扑结构。结合无线可视门禁***的应用，簇树网络拓扑结构适合该应用背景。PAN协调器组建一个以小区或者单元楼为控制目标的网络，在该PAN协调器控制范围内，由其初始化网络相关参数并维护网络，其它的用户终端设备或无线路由设备添加到该网络中构成一个无线互联的网络。如果以一个小区为控制目标，则一栋单元楼可以作为一个树枝组织该楼内用户节点。如果以一栋楼为控制目标，则可以一层楼作为一个树枝组织该层楼内用户节点。

传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确认机制随网络拓扑结构的不同而有所不同。ZigBee技术的数据传输模式分为三种数据传输事务类型：第一种是终端设备向协调器发送数据；第二种是协调器发送数据，终端设备接收数据；第三种是在两个终端设备之间传送数据。例如在星型网络拓扑结构中，当终端设备想要发送数据帧给协调器时，它只需要在检测到空闲信道条件时，将数据帧发送到协调器。如果协调器要将数据发送到终端设备，它会根据终端设备接收机的状态来决定数据传送方式：当终端设备接收机始终处于接收状态时，协调器在信道空闲时采用CSMA-CA机制发送数据帧；而当终端设备接收机处于关闭状态时，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询数据为止。

在簇树型网络中，每个路由节点必须一直保持它的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它的接收器。当通过前面介绍的路由算法选择并建立好数据传输链路后，每一跳之间的数据传输机制就和星型网络中相似。在数据传输时，一旦建立了数据传输链路，后续的数据帧传输就可以直接采用CSMA-CA机制点对点沿树传输直到完成所有数据帧的传输。

本发明在设计ZigBee无线图像传输应用协议栈时，创新性地设计了基于链路建立机制的图像/音频数据帧跨层传输方式。该方式只是用于图像/音频数据帧的连续传输，而其它所有数据帧均按照ZigBee标准协议进行，即采用前面介绍的数据传输机制。

本发明实施方式中，首先阐述了无线可视门禁***的总体设计方案，介绍了***中各设备的功能、***的工作方式、主要特点以及各功能设备的硬件设计方案。其次，介绍了***设计采用的ZigBee技术，并分别从协议体系结构、网络拓扑结构、路由协议和数据传输技术等方面对该技术在无线可视门禁***中的应用进行研究，得出相应的实现方式。

在硬件实现方面，本发明所设计的无线图像传输方案主要针对当前智能小区无线门禁应用为背景，为小区提供出入门控制的无线可视门禁解决方案。该***的功能以网络协调器(Coordiantor)组织的无线网络为传输媒介实现。本门禁***有如下功能设备组成：门禁控制主设备、用户终端设备、无线路由设备、前端识别设备、电锁执行设备以及门禁管理工作站。其中门禁控制主设备的主要功能是作为无线网络的协调器(Coordinator)来组织维护网络，并为前端识别设备、电锁执行设备以及门禁管理工作站提供互操作通信接口。考虑到前端识别设备、门锁执行设备以及门禁管理工作站现有比较成熟的设计方案，在后续硬件方案设计中只给出了它们在门禁控制主设备上的通用接口设计。

该无线可视门禁***中的门禁控制主设备、用户终端设备和无线路由设备各自的硬件结构存在相应的差别。为了降低设计成本，本发明中用包括上述三种设备所有功能的无线网络节点来进行硬件设计介绍。

无线网络节点作为硬件基本单元由下列部件组成：主控制模块、无线收发模块、摄像头模块、按键控制和指示模块、显示模块、***接口和电源模块。该***实际应用中，门禁控制主设备包括除显示模块以外的所有部件；无线路由节点无需摄像头模块和显示接口；用户终端节点不包括摄像头模块。

无线网络节点硬件方案中采用了主控MCU芯片+无线收发模块的设计方案。下面将讨论这两种主要芯片的选型及其特点。

根据ZigBee技术应用特点，在选用主控芯片时主要考虑如下方面：其与无线收发模块的接口；在简化其硬件设计的基础上，必须具有运行ZigBee协议栈足够ROM程序空间和供其运行所需的RAM；配合ZigBee技术低功耗应用的特点；具有方便的调试接口以及丰富的门禁******接口资源。鉴于以上考虑，C8051F121单片机符合上述要求，同时具有两种(空闲和停机)软件可编程的电源管理方式，是具有低功耗应用特点的嵌入式***解决方案。

ZigBee芯片是产业链上发展最为成熟的一环，从2004年底ZigBee联盟正式提出标准以来，ZigBee芯片厂开始推出符合ZigBee标准的芯片，如TI的CC2420，Freescale的MC13192、ST的SN260。由于体积、耗电量及成本等因素是ZigBee技术运用在无线网络成功与否的关键因素，因此，ZigBee芯片商开始整合微控制器及RF传输芯片，开发出整合型单芯片，如CC2430、EM250、JN5139、MC13214等。

在***选型和硬件设计时，本发明采用了主控MCU芯片+无线收发模块的方案，而没有采用单芯片解决方案。单芯片解决方案虽然占用面积小，可以降低功耗，但要购买其开发软件和调试器，增加了成本。同时，单芯片解决方案中其微控制器外设资源有限，如若扩展外设资源就势必会增加***的成本、电路板的面积和功耗，不满足***设计中灵活性、可扩展性设计的原则。而主控MCU芯片+无线收发模块方案设计中，用户可以根据***应用的复杂性来选择不同的主控MCU搭建硬件平台，设计相对灵活，方便***升级。在众多符合ZigBee标准的芯片中，选择了TI的CC2420。利用此芯片开发的无线通信设备可以支持250Kbps数据传输率，可以实现多点对多点的快速组网，更重要的是，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低，可确保短距离通信的有效性和可靠性。

无线图像传输软件设计采用ZigBee协议标准中为特定的应用目标定义程序框架的思想。本发明根据ZigBee协议栈体系结构规划软件层次，构建低耦合的应用框架，使其能够很方便地嵌入到无线可视门禁***应用背景中，完成相应功能。因此，本发明软件设计采用分层、分模块设计的方法，有如下步骤：

首先，设计物理层的驱动程序，包括***配置、SPI口、串口、无线收发模块CC2420和读写FLASH等部分。物理层驱动程序要用来对硬件进行测试。因此，本设计结合多种硬件调试方式，用驱动程序来测试硬件可靠、无误。在硬件测试可靠无误的基础上，设计更合理高效的物理层驱动程序。通过这样互相验证测试的方式，本设计完成硬件测试，并且设计出高效的物理层驱动程序，为后续无线图像传输***软件设计作好准备，提供可靠的底层驱动支持。

其次，移植ZigBee协议栈中MAC层、NWK层，设计ZigBee无线图像传输应用协议栈。上述各层的移植和调试按照层次结构从底层到上层依次进行。为了方便检查出某层软件设计的问题和提高后期***软件联合调试的效率，本部分逐层设计过程中，必须确保移植的各层能够稳定运行并且该层与上层接口功能可靠无误。因此，该部分的测试工作必须全面、仔细。随后，为提供图像数据传输效率，本设计基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式。

最后，设计无线图像传输应用程序对象，实现无线图像传输要求的完整功能。ZigBee中的应用框架为ZigBee设备中的应用对象提供灵活的接入端口，最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端点编号从1到240，还有两个附加的终端节点为了APSDE-SAP的使用：端点号0固定用于ZDO数据接口；另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能，端点241-254保留(扩展使用)。本设计将无线图像传输应用程序对象配置在端点1上，方便后续***新功能设计时添加其它无线传输任务，符合***可扩展性设计要求。

所述的ZigBee标准定义了三种网络设备：PAN Coordinator、Router和End Device，本发明无线图像传输应用中根据设备特点同样定义了上述三种设备，且这三种设备具有各自不同的功能，因此，其主程序流程有所区别。为了优化程序设计，本发明采用条件编译的方式来区分各种网络设备功能。与此同时，为了提高无线图像传输应用***的响应时间，所有设备均为FFD设备，图像数据帧传输采用基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式。

本发明参考Microchip提供的免费协议栈，设计并实现了ZigBee无线图像传输应用协议栈。在该协议栈中实现了基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式完成图像数据帧传输，有效提高了传输效率。随后，采用该协议栈构建了无线图像传输应用程序对象，实现了无线图像传输完整功能。该完整功能包括：网络基本功能；网络拓扑结构实现；设备低功耗控制和链路唤醒；采用基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式进行图像数据传输；在数据通信过程中，所有节点设备处理数据通信异常，如链路建立失败、数据帧丢失、图像传输任务超时等。

逻辑链路建立机制实现思想是：有图像数据传输任务时，Coordinator发送APL层的链路建立命令帧，唤醒该链路上的所有路由设备进入正常工作状态。如果当前不存在到目的节点的路由路径，或者Coordinator唤醒链路上的设备失败时，Coordinator启动ZigBee协议标准中路由发现功能建立逻辑链路。如果规定时间不能够成功建立链路，Coordinator就输出错误状态信息指示异常。当逻辑链路设备被唤醒并进入正常工作模式时，发送链路建立响应命令帧告知Coordinator链路建立成功，并保存该链路节点地址。当逻辑链路建立成功时，Coordinator和链路上的所有路由设备都保存了下一跳的地址，建立了图像数据转发的通信链路。由此，当路由设备接收到图像数据帧时就可以直接通过已经保存的下一跳地址转发。

基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式其实现思想是：如果无线图像应用程序对象软件设计完全符合ZigBee协议标准要求，所有数据服务都以应用层到物理层顺次进行服务的方式来实现，每一帧图像数据帧中都要包括各层的完整帧头信息，图像数据净载荷少。传输数据量相对较大的完整的一张图像时，各帧数据冗余信息较多，极大地降低了无线数据传输速率并增加了***功耗。例如，ZigBee协议标准应用层的数据帧中共包括30字节的帧头和控制信息。其包括：

帧长度：1字节；MAC帧头：11字节；网络层帧头：8字节；APS帧头：6字节；APL帧头：4字节。而物理层每一帧数据最大容量为127字节。

当采用基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式后，图像数据帧直接从应用层传输到MAC层，省去网络层数据帧头以及相应的处理，这样就极大地减少了数据帧中的冗余信息。该方式下图像数据帧帧头可以减少到16字节，仅包括：帧长度：1字节；MAC帧头：11字节；APL帧头：4字节。由于一张图像需要连续多帧传输，因此如此设计对通信速率提高效果就很可观。该方式实现图像数据帧传输必须先建立原数据节点到目标节点之间的逻辑链路，即采用逻辑链路建立机制实现思想。

总之，根据门禁***的实际应用为背景，本发明提出了基于ZigBee技术的无线可视/对讲门禁***的完整解决方案，主要对ZigBee无线图像传输应用协议栈以及无线图像传输应用软硬件平台进行了详细研究与设计。本发明完成的主要工作有：

(1)给出了基于ZigBee技术的无线可视门禁***完整解决方案以及各个功能设备的设计方案。

(2)完成了ZigBee无线图像传输应用协议栈的设计，在该协议栈中创新性地实现了基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式，并基于该协议栈完成了无线图像传输软件设计与测试。

(3)分别组建星型网络和簇树网络等，完成了网络基本功能测试以及通信速率测试。之后，完成了无线图像传输完整功能测试，包括可靠图像传输测试以及数据传输异常处理测试。

结果表明：ZigBee无线图像传输应用协议栈中采用基于链路建立机制的图像数据帧跨层传输方式时，提高了图像数据传输效率，其运行稳定、可靠，能够为无线可视/对讲门禁***应用提供完全功能支持。

本发明还进一步表明，该无线可视/对讲门禁***解决方案是可行的，其无线图像传输实际测试结果达到了实时性要求。结合当前ZigBee技术在家用自动化市场的发展潜力，可以看出基于ZigBee技术设计无线可视门禁***即本发明门禁***具有很好的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims

1、种门禁***，其用于多用户、多门分散控制以及多门联动控制***，包括：出入口控制的门禁控制主设备及配套设备，其特征在于：所述门禁***采用自主设计的门禁***无线传输应用协议栈组建的自组织智能网络作为通信媒介进行图像或语音的传输。

2、如权利要求1所述的门禁***，其特征在于：所述门禁***无线传输应用协议栈能够自组网、自维护，并对数据传输提供加密保护。

3、如权利要求1所述的门禁***，其特征在于：所述门禁***无线传输应用协议栈中采用了基于链路建立机制的图像/音频数据帧跨层传输方式进行数据传输。

4、如权利要求1所述的门禁***，其特征在于：所述配套设备包括：用于用户室内可视/对讲的用户终端设备、前端识别设备、用于电磁门锁控制的电锁执行设备、无线路由设备以及门禁管理工作站等。

5、如权利要求4所述的门禁***，其特征在于：所述门禁***还具有绑定功能，可以将具有一定功能的多个门绑定在一起，并由门禁管理工作站同时控制这些门的联动动作。

6、如权利要求4所述的门禁***，其特征在于：所述门禁管理工作站可以登记被访者的相关信息以便必要时生成报表，且所述门禁***还设有通过门禁管理工作站指示以及语音提醒用户有需要处理的事务的功能。

7、如权利要求4所述的门禁***，其特征在于：所述可以自组织、自维护以及可进行多跳传输的自组织智能网络的组织与维护是由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备来完成的，所述用户终端设备及无线路由设备添加到网络中的方式以及其网络地址的分配都由所述门禁控制主设备或无线路由设备自动完成，且当上述两种设备失效或主动退出网络后，无线门禁控制主设备仍负责维护整个网络。

8、如权利要求4所述的门禁***，其特征在于：所述主要用于扩展***应用范围的无线路由设备，具有：为用户终端设备提供通信链路的路由功能、根据具体应用选配前端识别设备、电锁执行设备和出门按钮的接口电路以及集成有图像采集/语音采集、操作界面、异常报警以及状态指示等子单元，使其兼有用户终端设备功能。

9、如权利要求1所述的门禁***，其特征在于：所述自组织智能网络的频段可以选择为2.4～2.4836GHz，800～928MHz或300～348MHz，由嵌入了门禁***无线传输应用协议栈的无线门禁控制主设备完成相关配置选择不同的通信信道，且当通信号质量较差时可以选择信号质量较高的信道重新建立通信链路且无线网络中数据通信过程提供信号质量指示功能。

10、如权利要求1所述的门禁***，，其特征在于：所述自组织智能网络可以根据应用需要选择组成星型、簇树型以及网状拓扑型等结构。