摘  要： 提出了一款新型的基于ZigBee技術(shù)的多功能電動車遙控電子鎖的設(shè)計(jì)。從硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)兩方面分析了遙控電子鎖的工作原理。產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)開鎖、鎖車、無鑰匙啟動、防盜等功能。
關(guān)鍵詞： 多功能；遙控電子鎖；ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)

　近幾年，隨著ZigBee技術(shù)的發(fā)展，無線通信和無線傳感網(wǎng)絡(luò)正在向人們生活的各個方面滲透。它不僅應(yīng)用到建筑和家庭自動化、工業(yè)監(jiān)控、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且越來越多地應(yīng)用到日常生活中。由于世界能源的匱乏及環(huán)境污染的影響，國家在進(jìn)一步提倡使用電動車，藉此，電動車會慢慢普及，隨之相關(guān)的遙控電子鎖技術(shù)顯得尤為重要。現(xiàn)有的電動車電子鎖是采用單片機(jī)和無線發(fā)射模塊共同實(shí)現(xiàn)的。若使用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)電子鎖時就只需使用CC2430片上系統(tǒng)就可以了，不再需要單獨(dú)的射頻芯片，其集成度高，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。CC2430無線單片機(jī)待機(jī)時電流小于0.6 μA，在32 kHz晶體時鐘下運(yùn)行，電流消耗小于1 μA，使用紐扣電池壽命可以長達(dá)10年。本文研制了一種基于ZigBee芯片CC2430片上系統(tǒng)的電動車遙控電子鎖，并采用了睡眠/喚醒機(jī)制，大大降低了整個系統(tǒng)的功耗；系統(tǒng)軟件編程通過了IAR7.30B環(huán)境的測試。
1 CC2430簡介
　CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的并沿用了以往的CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核；適應(yīng)2.4 GHz頻段IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器；極高的接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能；具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；掉電方式下，電流消耗只有0.9 μA，外部中斷或者實(shí)時鐘（RTC）能喚醒系統(tǒng)；掛起方式下，電流消耗小于0.6 μA，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；電源電壓范圍寬（2.0～3.6 V）；高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器；2個支持多種串行通信協(xié)議的USART；1個IEEE 802.15.4媒體存取控制（MAC）定時器；1個通用的16位和2個8位定時器；支持硬件調(diào)試。CC2430具有兩個工作頻率，一個是32 MHz的正常工作頻率，一個是32.768 kHz的睡眠工作頻率。本設(shè)計(jì)采用了睡眠/喚醒機(jī)制，當(dāng)遙控器和電動車電子鎖正常通信時，工作頻率為32 MHz，而當(dāng)遙控器和電動車電子鎖都處于睡眠狀態(tài)時，工作頻率為32.768 kHz，這樣可以降低系統(tǒng)的功耗。
2 硬件設(shè)計(jì)
　遙控電子鎖系統(tǒng)包括兩部分：第一部分是遙控器，此部分硬件有CC2430、按鍵電路、3 V的紐扣電池。第二部分是電動車主控電路：此部分的硬件有CC2430控制核心、輸出驅(qū)動與控制電路。控制電路主要是由繼電器、電機(jī)等構(gòu)成。
2.1遙控器的硬件設(shè)計(jì)
　遙控器的硬件框圖如圖1所示，由CC2430、LED、天線、按鍵電路組成。LED用來指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，一共有3個按鍵，分別為：開鎖鍵、關(guān)鎖鍵（尋車鍵）、無鑰匙開啟鍵（即不需要鑰匙也一樣能使電動車啟動）。按鍵值是通過幾個電阻的分壓值來判斷的，通過P0.7口連接到ADC，經(jīng)ADC采樣后去觸發(fā)中斷。

2.2 主控電路的硬件設(shè)計(jì)
　主控電路的硬件框圖如圖2所示，包括CC2430、LED、蜂鳴器、輸出驅(qū)動電路及控制器電路。輸出驅(qū)動電路由兩個三極管的放大作用來實(shí)現(xiàn)。其控制器電路由繼電器、電機(jī)及電磁鐵等組成。遙控器通過按鍵值傳來不同的信號a（鎖車信號）、b（開鎖信號）、c（無鑰匙開啟信號）。a信號一方面被蜂鳴器接收電路接收，使蜂鳴器開始報警，指示燈閃爍，進(jìn)入警戒狀態(tài)；而同時又被另一控制器電路接收，輸出信號控制繼電器1工作，使電磁鐵動作和電動機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)上鎖。此功能還可以當(dāng)作是尋車功能來使用。b信號被蜂鳴器電路接收后解除警報狀態(tài)，另一方面又被控制器電路接收，使繼電器2工作，控制電磁鐵和帶動電動機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開鎖。c信號被蜂鳴器接收，使蜂鳴器開始鳴響，而控制電路使啟動繼電器工作吸合（啟動繼電器與電按鑰匙并聯(lián)），電瓶電流從繼電器的閉合觸電傳到主控制器，如此，電動車就被啟動了，實(shí)現(xiàn)了無鑰匙開啟功能。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
　軟件部分包括硬件的初始化程序、協(xié)議棧初始化程序、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送程序。接收程序運(yùn)行于電子鎖接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，接收來自遙控器發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)信息，如：開鎖、鎖車、開啟等信息。應(yīng)用程序和協(xié)議棧都被下載到CC2430的閃存中。
3.1 遙控器的軟件設(shè)計(jì)
　首先初始化所有要用到的硬件，如：ADC、DMA、I/O等，然后調(diào)用aplInit（）函數(shù)來初始化協(xié)議棧。因?yàn)榘l(fā)射節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)的是協(xié)調(diào)器的角色，首先得定義工作頻率和網(wǎng)絡(luò)號，然后調(diào)用apl Form Net Work（）來嘗試建立網(wǎng)絡(luò)。其定義為：
　#define LRWPAN_DEFAULT_CHANNEL 11
　#define LRWPAN_DEFAULT_PANID 0x1347
　默認(rèn)的個人局域網(wǎng)的PANID號是1347，協(xié)調(diào)器掃描所有被ZCD_NV_CHANLIST參數(shù)制定的通道和選擇一個最小能量的通道。如果有2個或2個以上的最小能量通道，則協(xié)調(diào)器選擇在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在序號最小的通道。所以此設(shè)計(jì)中在信道定義為可選的最小的11信道。然后協(xié)調(diào)器將選擇用默認(rèn)的個人局域網(wǎng)的PANID。建立好網(wǎng)絡(luò)后，遙控器發(fā)送“加入網(wǎng)絡(luò)”信號，若收到主控節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號，則表示網(wǎng)絡(luò)建立成功，進(jìn)入遙控狀態(tài)；如果沒有收到則進(jìn)入到睡眠/喚醒狀態(tài)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)程序的流程圖如圖4所示。遙控器的按鍵值是通過CC2430的ADC對幾個電阻的分壓值采樣而得到的，然后通過DMA傳到TXFIFO緩存中，最后通過射頻前端發(fā)送出去。當(dāng)遙控器的喚醒鍵按下時，紅色的LED燈閃一下，表明自己被喚醒了；而當(dāng)接收到主控節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信號時，綠色的LED燈閃爍一下，說明電子鎖已經(jīng)被喚醒。當(dāng)開鎖、鎖車、開啟鍵按下時，紅色LED燈閃一下，而綠燈閃時則表明主控節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成了相應(yīng)的動作。
3.2 主控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
　當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)上電后，接收模塊主程序也首先開始初始化所有用到的硬件，然后就初始化協(xié)議棧，若LED燈閃爍一下，表明程序已經(jīng)進(jìn)入到等待遙控器發(fā)來信息并開始無線檢測監(jiān)聽，如果收到“加入網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)時，則開始判斷是否是“開鎖、鎖車、啟動”按鍵，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的操作。若是“開鎖鍵”，則蜂鳴器響一下，并置開鎖狀態(tài)；如不是，則接著判斷是否是“啟動鍵”，若是則置啟動狀態(tài)，蜂鳴器響。如不是再接著判斷是否是“鎖車鍵”，是則置鎖車狀態(tài)，蜂鳴器響，指示燈亮，否則進(jìn)入到無線偵聽狀態(tài)。沒有收到“加入網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)，則進(jìn)入喚醒/睡眠狀態(tài)的判斷。接收節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5所示。然后根據(jù)遙控器節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)定義好的網(wǎng)絡(luò)號和信道號來同樣定義主控節(jié)點(diǎn)，這樣才能完成正常的通信功能，才能保證兩節(jié)點(diǎn)可靠的傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)橹挥兴鼈冏约翰胖李l號和網(wǎng)絡(luò)號，外在的控制信號不能控制鎖的動作。

　傳統(tǒng)的電動車的安全加密都是采用固定編碼或滾動編碼技術(shù)，而ZigBee本身就有非常嚴(yán)密安全的加密機(jī)制，其采用的是AES加密標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)針對不同的應(yīng)用，提供了不同的安全服務(wù)。這些服務(wù)分別施加在MAC層、NWK層和APL層上，其對數(shù)據(jù)的安全保護(hù)是在CCM*模式下執(zhí)行AES-128加密算法。CCM*是CCM的增強(qiáng)版本，它包含CCM的所有特征，并提供加密和完整性檢測的功能，CCM模式是由計(jì)數(shù)器模式和密碼塊鏈接消息鑒權(quán)代碼模式相結(jié)合構(gòu)成的。使用基于CCM*模式的安全級別來保護(hù)輸入輸出幀，是最基本的ZigBee 安全性需求。另外，與其他安全模式不同，CCM*模式對于所有CCM*安全級別只使用一個密鑰，也就是說，由于ZigBee棧使用CCM*模式，MAC、NWK、APL層可重復(fù)使用相同密鑰。
　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是基于ZigBee技術(shù)及睡眠/喚醒機(jī)制在電動車遙控電子鎖方面的應(yīng)用，此設(shè)計(jì)采用的是成都無線龍的CC2430的開發(fā)套板，軟件程序和協(xié)議棧都是在IAR7.30B的環(huán)境下通過調(diào)試的，通過協(xié)議分析儀對數(shù)據(jù)包的序列號、源地址、目的地址、數(shù)據(jù)包長度和傳輸時間等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、分析。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用的是點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，經(jīng)試驗(yàn)傳輸距離可達(dá)到100 m以上，而且系統(tǒng)功耗低，大大延長了電池的使用壽命。并且其系統(tǒng)組成所需的硬件少，從而組成設(shè)備不但體積小，而且方便輕巧。
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