干电池供电的大型实时无线联网门禁系统

1.干电池供电的大型实时无线联网门禁系统，包括门禁管理服务器、PC客户端、局域网、主控器、无线扩展模块和无线门禁锁，门禁管理服务器、PC客户端和主控器与局域网信号连接，主控器与无线扩展模块信号连接，无线扩展模块与无线门禁锁信号连接，所述的门禁管理服务器、PC客户端和主控器与局域网信号连接采用现有的局域网通信方式；所述的主控器与无线扩展模块采用RS485协议进行通信；所述的无线扩展模块与无线门禁锁信号连接，无线门禁锁与无线扩展模块之间采用控制协议进行通信；
其特征在于所述的控制协议方法包括如下步骤：
步骤(1)无线门禁锁判断无线链路状态是否为建立状态，如果是建立状态，则执行步骤(2)，如果不是建立状态则跳转至步骤(3)；所述的建立状态为无线门禁锁和无线上位机正常通信；所述的无线上位机为无线扩展模块或主控器；
步骤(2)无线门禁锁判断有无待发送数据，如果有待发送数据，则跳至步骤(4)，如果没有待发送数据则跳转至步骤(3)；所述的待发送数据包括刷卡数据、门锁动作数据、电池电量、应答无线上位机的数据；
步骤(3)无线门禁锁发送空包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的空包数据结构由8位前导码、32位地址码和8位CRC校验码组成；
步骤(4)无线门禁锁发送无线数据包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的无线数据包由
8位前导码、32位地址码、N位数据内容和8位CRC校验码组成，其中0＜N≤256；
步骤(5)无线门禁锁转入接收状态，无线上位机执行步骤(6)；
步骤(6)无线上位机判断有无需要下发的数据，如果有需要下发的数据，则下发无线数据包，如果没有需要下发的数据，则下发空包；无线上位机一直处于侦听模式，一旦接收到无线门禁锁发送的正确数据包，则无线上位机在指定的时间内将无线数据包或空包发出，指定的时间越短则无线门禁锁接收所耗电流越少；所述的正确数据包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确；
步骤(7)无线门禁锁判断收到应答数据否，检测发送数据包是否成功；所述的发送数据包成功为无线门禁锁接收到应答包，所述的应答包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确；无线门禁锁在发送结束后马上转入了接收状态，无线门禁锁要求在指定的时间内接收无线上位机下发的数据包或者空包，指定的时间取值范围为10微秒～1000微秒，如果在这个时间内没接收到任何数据，则视为本次发送失败；如果检测到发送失败，则跳至步骤(8)；如果检测到发送成功，则进入休眠等待状态直到时间到时跳至步骤(1)；
步骤(8)无线门禁锁检测指定的重发次数到否，如果指定的重发次数已到，执行步骤(9)，如果指定的重发次数未到，还需重发并跳转至步骤(12)；
步骤(9)无线门禁锁判断当前无线链路是否为建立状态，如果为建立状态，则在正常模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔一秒握手一次；在快速模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔100毫秒握手一次；所述的正常模式为无线门禁锁和无线上位机均无待发送的数据包；所述的快速模式为无线门禁锁或上位机有需要发送的数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳转至步骤(1)，如果通信未成功，则执行步骤(10)；
步骤(10)无线门禁锁判断当前无线链路是否为恢复状态，所述的恢复状态为上次通信为建立状态，经过3次重发后失败；如果为恢复状态，则增大设定的发送次数，从频率表中重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率，重新选定后的通信频率在频率表中的位置为本次通信频率在频率表中位置的下一个，如果本次通信频率已在频率表的最后一个位置，则选择频率表中第一个位置的频率；在重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率过程中，无线上位机通信频率重新设定所需的时间大于等于无线门禁锁重新设定所需的时间，然后发送数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳转至步骤(1)，如果通信未成功，则执行步骤(11)；所述的频率表为无线门禁锁和无线上位机事先约定的一组工作频率；
步骤(11)无线门禁锁判断当前无线链路是否为丢失状态，所述的丢失状态为经恢复状态后通信仍然失败；如果为丢失状态，则设定的发送次数为1，按频率表中频率从小大顺序依次选定并发送空包，在这个过程中上位机通信频率保持不变；在无线门禁锁和上位机失去通信联系后两者都需要跳频来避开受干扰的频点；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)；
步骤(12)无线门禁锁判断重发时间间隔是否到，如果重发时间间隔到，则跳至步骤(1)，如果重发时间间隔未到，进入休眠等待状态，直到时间到时跳转至步骤(1)。

干电池供电的大型实时无线联网门禁系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于无线网络通信技术领域，涉及一种干电池供电的大型实时无线联网门禁系统。\n背景技术\n[0002] 无线门禁在施工安装中更节省时间和劳力，可以有效提高项目施工的进度和效率，因此无线门禁在工程施工布线方面有着很大的优势。但是现有技术中无线门禁系统在市场上占的比例不高，究其原因是无线门禁存在很大的技术瓶颈。如果采用有线电源对门锁供电，就需要麻烦的布线，既然已经布线了，所谓的“无线”就失去了意义。而采用干电池驱动在微功耗下实现实时数据传输非常困难，一方面要避开无线电磁干扰，另一方面又要和管理中心之间保持非常频繁的通信。在市场上出现的网络型无线门禁产品大致可以分为两类：采用GPRS或短信通讯的远程无线门禁系统和有线电源供电无线通信的无线门禁系统。这两种产品可以使用干电池驱动，但系统功耗比较大，电池维持时间短。\n发明内容\n[0003] 本发明针对现有技术的不足，提供一种干电池供电的大型实时无线联网门禁系统。\n[0004] 本发明的无线联网门禁系统的硬件部分包括门禁管理服务器、PC客户端、局域网、主控器、无线扩展模块和无线门禁锁；\n[0005] 门禁管理服务器、PC客户端和主控器与局域网信号连接，主控器与无线扩展模块信号连接，无线扩展模块与无线门禁锁信号连接；\n[0006] 所述的门禁管理服务器、PC客户端和主控器与局域网信号连接采用现有的局域网通信方式；\n[0007] 所述的主控器与无线扩展模块采用RS485协议进行通信；\n[0008] 所述的无线扩展模块与无线门禁锁信号连接，无线门禁锁与无线扩展模块之间采用控制协议进行通信；\n[0009] 所述的控制协议的方法包括以下具体步骤：\n[0010] 步骤(1)无线门禁锁判断无线链路状态是否为建立状态，如果是建立状态跳转至步骤(2)，如果不是建立状态跳转至步骤(3)；所述的建立状态为无线门禁锁和无线上位机正常通信；所述的无线上位机为无线扩展模块或主控器；\n[0011] 步骤(2)无线门禁锁判断有无待发送数据，如果有则跳至步骤(4)，否则跳至步骤(3)；所述的待发送数据包括刷卡数据、门锁动作数据、电池电量、应答无线上位机的数据。\n[0012] 步骤(3)无线门禁锁发送空包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的空包数据结构由\n8位前导码、32位地址码和8位CRC校验码组成。\n[0013] 步骤(4)无线门禁锁发送无线数据包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的无线数据包由8位前导码、32位地址码、N位数据内容和8位CRC校验码组成，其中0＜N≤256。\n[0014] 步骤(5)无线门禁锁转入接收状态，无线上位机执行步骤(6)；\n[0015] 步骤(6)无线上位机判断有无需要下发的数据，如果有则下发无线数据包，如果无则以空包下发。无线上位机一直处于侦听模式，一旦接收到无线门禁锁发送的正确数据包，则无线上位机必须在指定的时间内将无线数据包或空包开始发出，这个时间越短则无线门禁锁接收所耗电流越少。所述的正确数据包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确；\n[0016] 步骤(7)无线门禁锁判断收到应答数据否，检测发送数据包是否成功。所述的发送数据包成功为无线门禁锁接收到应答包，所述的应答包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确。无线门禁锁在发送结束后马上转入了接收状态，无线门禁锁要求在指定的时间内接收无线上位机下发的数据包或者空包，这个指定的时间取值范围为10微秒～1000微秒，如果在这个时间内没接收到任何数据，则被视为本次发送失败。如果检测到发送失败，则跳至步骤(8)。否则进入休眠等待状态直到时间到时跳至步骤(1)，和无线上位机进行握手或发送数据。\n[0017] 步骤(8)无线门禁锁检测指定的重发次数到否，如果指定的重发次数已到，执行步骤(9)，否则还需重发，跳至步骤(12)；\n[0018] 步骤(9)无线门禁锁判断当前无线链路是否为建立状态，如果为建立状态，则在正常模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔一秒握手一次；在快速模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔100毫秒握手一次。所述的正常模式为无线门禁锁和无线上位机均无待发送的数据包；所述的快速模式为无线门禁锁或上位机有需要发送的数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)，否则执行步骤(10)；\n[0019] 步骤(10)无线门禁锁判断当前无线链路是否为恢复状态，所述的恢复状态为上次通信为建立状态，经过3次重发后失败。如果为恢复状态，则增大设定的发送次数，从频率表中重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率，重新选定后的通信频率在频率表中的位置为本次通信频率在频率表中位置的下一个，如果本次通信频率已在频率表的最后一个位置，则选择频率表中第一个位置的频率；在重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率过程中，无线上位机通信频率重新设定所需的时间大于等于无线门禁锁重新设定所需的时间，然后发送数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)，否则执行步骤(11)；所述的频率表为无线门禁锁和无线上位机事先约定的一组工作频率，在本发明中采用了2.4G频段内的12个频点。\n[0020] 步骤(11)无线门禁锁判断当前无线链路是否为丢失状态，所述的丢失状态为经恢复状态后通信仍然失败。如果为丢失状态，则设定的发送次数为1，按频率表中频率从小大顺序依次选定并发送空包，在这个过程中上位机通信频率保持不变。在无线门禁锁和上位机失去通信联系后两者都需要跳频来避开受干扰的频点；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)。\n[0021] 步骤(12)无线门禁锁判断重发时间间隔是否到，如果间隔到，则跳至步骤(1)，否则进入休眠等待状态，直到时间到时跳至步骤(1)；\n[0022] 本发明方法相对于现有技术具有以下优点：\n[0023] 本发明中无线门禁锁采用干电池进行驱动，无线门禁锁的安装无需布线，摆脱了现有技术中门锁上的有线电源造成的对门的美观程度的降低及电源线频繁地折弯导致的使用寿命低的缺陷，不仅给安装带来方便，而且提高了门的美观度，也提高了整个门禁系统的使用寿命。\n附图说明\n[0024] 图1为本发明的结构示意图；\n[0025] 图2为无线门禁锁的硬件结构示意图；\n[0026] 图3为无线门禁锁控制协议方法流程图；\n[0027] 图4为不同无限门禁锁重发间隔示意图；\n[0028] 图5为无线门禁锁无线通信状态转移图；\n[0029] 图6无线门禁锁和无线上位机跳频示意图。\n具体实施方式\n[0030] 以下结合附图对本发明作进一步说明。\n[0031] 如图1所示，干电池供电的大型无线联网门禁系统包括门禁管理服务器1、PC客户端2、局域网4、主控器10、无线扩展模块20和无线门禁锁30。\n[0032] 门禁管理服务器1、PC客户端2和主控器10与局域网4信号连接，主控器10与局域网4信号连接的方式为有线连接或者无线连接，主控器10与无线扩展模块30信号连接，无线扩展模块20与无线门禁锁30信号连接。\n[0033] 主控器10与无线扩展模块20采用RS485协议进行通信。\n[0034] 无线扩展模块20与无线门禁锁信号30连接采用控制协议进行通信。\n[0035] 主控器10与无线门禁锁30连接采用控制协议进行通信。\n[0036] 门禁管理服务器负责对主控器、无线扩展模块、无线门禁锁的参数设置，以及发卡、刷卡记录、门点状态管理、考勤数据、用户权限管理等功能。PC客户端为局域网内的任意一台电脑。门禁管理服务器软件采用B/S结构，PC客户端通过IE浏览器访问门禁管理服务器。\n[0037] 主控器接入局域的方式支持2种：wifi无线或有线网络。门禁管理服务器将和该主控器相关的一些门点管理数据下载到主控器，在门禁管理服务器关闭时，主控器可以独立地管理各个无线扩展模块和无线门禁锁。主控器将采集到各个门禁点开关门状态、刷卡信息等数据通过局域网发送给门禁管理服务器。\n[0038] 主控器和无线扩展模块通过RS485总线连接，主控器通过轮询方式获取无线扩展模块采集到的门禁数据。每个主控器带有两个RS485接口，每个RS485口可以接32个无线扩展模块。\n[0039] 主控器也可以在传输距离允许的范围内直接和无线门禁锁通信。\n[0040] 无线扩展模块起到一个距离扩展的作用，主控器和无线扩展模块通过有线RS485通信，无线扩展模块和无线门禁锁通过无线方式通信。在实际施工过程中将RS485通信线布在过道上方，在无线门紧锁信号强度不足的地方放置无线扩展模块，通过分布在各个楼层的无线扩展模块，将各个门点组成一个大型的无线门禁网络。\n[0041] 无线门禁锁采用干电池长时间供电首先要满足无线门禁锁的硬件实现是微功耗的。如图2所示，该无线门禁锁包括红外接收发射单元32，无线发射接收单元33，电机控制单元34、读卡头单元35、微处理器31、存储单元36和电源37。电源37提供该无线门禁锁内所有元件的驱动动力。红外接收发射单元每隔250毫秒由CPU唤醒发射一次红外光，如果有遮挡接收电路输出低电平，CPU通过此信号可以检测到有无卡片在刷卡。读卡头单元负责卡片的数据读取和写入。存储单元用来存储运行参数和脱机刷卡记录。该微处理器通过无线发射接收单元与上位机进行无线通信，并执行上位机下发的各项命令。电机控制单元负责门锁的开启和关闭。\n[0042] 无线门禁锁绝大部分时间处在待机模式下，只要待机模式能实现低功耗，就能给无线门禁锁实现低功耗提供了保障。无线门禁锁在待机模式下的耗电主要分为2部分：250毫秒一次的红外接收发射单元的卡片检测和1秒一次的无线通信。在本实施例中红外发射脉宽为50微秒，发射电流为50毫安，接收电路电流为0.5毫安，发射和接收是同时进行的，卡片检测一年的红外工作次数为T：\n[0043] T＝4×3600×24×365＝126144000次\n[0044] 一年的耗电E为：\n[0045] E＝(50+0.5)×50×10-6/3600×T＝88.476maH\n[0046] 在本实施例中无线门禁锁发送连带接收一个数据包的时间是非常短的，按通信波特率1Mbps计算，发射电流13毫安，接收电流18毫安，由于无线门禁锁在待机模式下只需空包查询上位机是否有下载数据即可，因此：\n[0047] 上行的查询包的长度：L1＝8位前导码+32位地址码+8位CRC校验码＝48位。\n[0048] 下行应答包的长度：L2＝8位前导码+32位地址码+8位应答信息码+8位CRC校验码＝56位。\n[0049] 上行查询包的消耗时间为：T1＝发射启动时间202us+数据传输时间48us＝\n250us\n[0050] 下行应答包的消耗时间为：T2＝接收启动时间244us+数据传输时间56us＝\n300us\n[0051] 所以无线通信一次消耗的能量为：\n[0052] E＝(T1×13+T2×18)×10-6/3600＝2.4×10-6maH\n[0053] 按一秒通信一次计算通信一年的消耗能量为75.68maH。\n[0054] 待机模式为无线门禁锁没有刷卡和开关门动作，也没有数据需要和上位机通信，无线只是握手来维持链路的存在。\n[0055] 上述计算结果为通信比较优良情况下的耗电数据，在平时还会出现需要数据重发以及门锁动作、无线数据通信，消耗能量还会有一些增加。由此可见无线门禁锁消耗的电量非常低，为电池驱动提供了保障，同时每个无线门禁锁都由唯一的通信地址可以满足多个门锁同时和上位机通信，便于系统组网。\n[0056] 在本实施例中采用开放的2.4G频段进行无线通信，在此频段有着相当多的设备也在使用此频段，如Wifi、蓝牙、无绳电话，zigbee等等，无线门禁锁控制协议方法决定着在满足实时性和可靠性要求的同时能否满足微功耗的要求，以下结合图3对无线门禁锁控制协议方法具体步骤作详细说明：\n[0057] 步骤(1)无线门禁锁判断无线链路状态是否为建立状态，如果是跳转至步骤(2)，否则跳转至步骤(3)；所述的建立状态为无线门禁锁和无线上位机可以正常通信；所述的无线上位机为无线扩展模块或主控器；\n[0058] 步骤(2)无线门禁锁判断有无待发送数据，如果有则跳至步骤(4)，否则跳至步骤(3)；所述的待发送数据包含刷卡数据、门锁动作数据、电池电量、应答无线上位机的数据、密码数据、脱机记录数据。\n[0059] 步骤(3)无线门禁锁发送空包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的空包数据结构为\n8位前导码+32位地址码+8位CRC校验码。\n[0060] 步骤(4)无线门禁锁发送无线数据包，发送完成后跳至步骤(5)；所述的无线数据包结构为8位前导码+32位地址码+N位数据内容+8位CRC校验码。其中0＜N≤256；\n[0061] 步骤(5)无线门禁锁转入接收状态。无线上位机执行步骤(6)；\n[0062] 步骤(6)无线上位机判断有无需要下发的数据，如果有则下发无线数据包，如果无则以空包下发。无线上位机一直处于侦听模式，一旦接收到无线门禁锁发送的正确数据包，所述的正确数据包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确，无线上位机可以同时侦听多个地址，无线上位机必须在指定的时间内将无线数据包或空包开始发出，这个时间越短则无线门禁锁接收所耗电流越少，在本发明中这个时间为200微秒。\n执行后跳至步骤(7)；\n[0063] 步骤(7)无线门禁锁判断收到应答数据否，检测发送是否成功。所述的发送数据包成功为无线门禁锁接收到应答包，所述的应答包为无线门禁锁发送的地址与接收的地址相同，循环冗余校验正确。无线门禁锁在发送结束后马上转入了接收状态，无线门禁锁要求在指定的时间内需要开始接收到无线上位机下发的数据包或者空包，这个指定的时间取值范围为10微秒～1000微秒，在本发明中采用200微秒，如果在这个时间内没接收到任何数据，则被视为本次发送失败。如果检测到发送失败，则跳至步骤(8)。否则在休眠等待时间到时跳至步骤(1)，和无线上位机进行握手或发送数据。\n[0064] 步骤(8)无线门禁锁检测指定的重发次数到否，如果指定的重发次数已到，需要按无线门禁锁通信状态图做进一步处理，跳至步骤(9)，否则还需重发，跳至步骤(12)；\n[0065] 步骤(9)无线门禁锁判断当前无线链路是否为建立状态，图5为无线通信状态转移图，如果为建立状态，则在正常模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔一秒握手一次；在快速模式下，无线门禁锁与无线上位机间隔100毫秒握手一次。所述的正常模式为无线门禁锁和无线上位机均无待发送的数据包；所述的快速模式为无线门禁锁或上位机有需要发送的数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)，否则执行步骤(10)；\n[0066] 步骤(10)无线门禁锁判断当前无线链路是否为恢复状态，所述的恢复状态为上次通信为建立状态，经过3次重发后失败。如果为恢复状态，则增大设定的发送次数，从频率表中重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率，重新选定后的通信频率在频率表中的位置为本次通信频率在频率表中位置的下一个，如果本次通信频率已在频率表的最后一个位置，则选择频率表中第一个位置的频率；在重新选定无线门禁锁与无线上位机的通信频率过程中，无线上位机通信频率重新设定所需的时间大于等于无线门禁锁重新设定所需的时间；然后发送数据包；如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)，否则执行步骤(11)；所述的频率表为无线门禁锁和无线上位机事先约定的一组工作频率，在本发明中采用了2.4G频段内的12个频点。\n[0067] 步骤(11)无线门禁锁判断当前无线链路是否为丢失状态，所述的丢失状态为经恢复状态后通信仍然失败。如果为丢失状态，则设定的发送次数为1，按频率表中频率从小大顺序依次选定并发送空包，在这个过程中上位机通信频率保持不变。在无线门禁锁和上位机失去通信联系后两者都需要跳频来避开受干扰的频点；图6为无线门禁锁和上位机跳频示意图，无线上位机的跳频速度要远慢于无线门禁锁的跳频速度，也就是说无线上位机保持一个频点的时间要满足大于无线门禁锁跳全部频点的时间，以便无线上位机无论处于频率表限定的任何一个频点无线门禁锁都能建立通信。在本发明中无线上位机如果发现无线门禁锁处于通信丢失状态，2秒钟改变一次频率。如果通信成功设置无线链路为建立状态，跳至步骤(1)。\n[0068] 如图5所示本实施例在无线丢失状态前还增加了下沉状态。下沉状态为无线门禁锁上次无线链路状态为恢复状态，经过恢复策略失败后，需要全跳频来恢复通信，下沉状态重发次数大于丢失状态，本实施例中设定为2次，经过8个下沉策略处理后仍然无法建立通信，则无线门禁锁无线链路状态转入丢失状态。下沉状态不是本发明必须的，有了它可以更快地恢复通信。\n[0069] 步骤(12)无线门禁锁判断重发时间间隔是否到，如果是跳至步骤(1)，否则休眠等待时间到再跳至步骤(1)；\n[0070] 图4为不同门禁锁重发间隔示意图。在无线通讯过程中，多个无线门禁锁和无线上位机通信时有可能发生处于同一时间发送数据包，这样会引起相互之间的干扰导致通信失败，通过设置不同的重发时间间隔来确保出现数据碰撞时重发的成功。