基于ZigBee無線通信網絡的指紋考勤網絡設計
伍龍山，戴志強，王凱旋，劉靜微
來源：RFID世界網
摘要： 目前指紋識別技術發展已經相當成熟，在市場上也能看到很多相關產品，如指紋鎖等。在實際應用中，往往需要在多點進行指紋識別，因此將多點構建為一個網絡具有很大的實際應用價值。在本文中，設計了一種星型ZigBee無線數據通信網絡，并在ZigBee終端連接指紋識別模塊，實現了多點的指紋考勤。
Abstract：
Key words :
在生物體上有很多可識別性、唯一性和終生不變性的體征，如指紋、虹膜等。指紋檢測和識別是當前計算機應用方面的熱點研究課題，且在現實生活中也有著廣泛的應用，如應用于身份識別等。目前指紋識別技術發展已經相當成熟，在市場上也能看到很多相關產品，如指紋鎖等。在實際應用中，往往需要在多點進行指紋識別，因此將多點構建為一個網絡具有很大的實際應用價值。在本文中，設計了一種星型ZigBee無線數據通信網絡，并在ZigBee終端連接指紋識別模塊，實現了多點的指紋考勤。
一、整體方案設計
(一)星型ZigBee無線通信網絡方案
在指紋識別過程中，指紋終端產生的數據是很少的，通常為幾十個字節，因此對通信系統的帶寬要求較低。ZigBee可實現250kbps的，通信距離一般介于10—100m間，以及低成本、高容量使其成為恰當的選擇。
在ZigBee無線通信網絡中設備單元有3種：協調器、路由器和終端。在本文中，我們組建包括一個協調器、多個終端的小型ZigBee網絡。協調器通過串口與上位機(或另一網絡端)相連{zigBee終端接到指紋識別模塊，并配合液晶擴展板實現對IDWD5002模塊的控制。指紋考勤結果的各信息在上位機管理軟件中顯示。圖1為系統方案。
圖1 指紋考勤網絡設計方案
(二)硬件模塊方案
在網絡中需要使用的模塊有：ZigBee無線網絡模塊和指紋識別模塊。
ZigBee無線通信模塊選擇為RF一2430。RF一2430提供SPI和UART與外部通信，其中UART可高達115．2kbps。指紋識別模塊選擇為IDWD5002，其通訊接口為RS232。該模塊作為從設備，由主設備發送相關命令對其進行控制，可調節安全等級、指紋特征數據的讀／寫和1：N識別及1：l驗證等。
使用ZigBee無線通信模塊配套的液晶擴展板，通過RS232與指紋識別模塊IDWD5002相連接。
二、指紋考勤網絡方案實現
在網絡軟件開發中，使用的是IAR7．3OB平臺，ZigBee網絡協議為Ziggee2006協議棧。
在協議安裝完成后，路徑C：＼Texas Instrument＼zstack一1．4．3—1．21＼Project＼zstack＼utilities下有的SerialApp工程實現了簡單的無線數據傳輸功能。全雙工通信和流量控制，在數據發送超時或丟包時，具有數據重發功能。因此，在此工程基礎上修改，可以實現需要的ZigBee網絡。
(一)配置網絡參數。
在本文中需要構建的是一個一層的星型網絡， 首先是設定網絡的類型。在nwk—globals．h文件中，STACK PROFILE ID 的定義就是網絡的類型，將其定義為GENERIC STAR；最大網絡深度MAX NODE DEPTH改為t。網絡中最大設備數是由NwK—MAXDEVICE—LIST確定的，而且通常都會留有一定的余量，將其改為需要的數量。在文件nwk～globals．C中，數組CskipRtrs和數組CskipChldrn確定網絡的結構，將其改為需要的值。同時，在f8wConfig．cfg中設定信道、PAN_ID、綁定表最大記錄數和單個記錄綁定族ID最大數，并加入REFLECTOR編譯標志。
在網絡中需要使用的模塊有：ZigBee無線網絡模塊和指紋識別模塊。
ZigBee無線通信模塊選擇為RF一2430。RF一2430提供SPI和UART與外部通信，其中UART可高達115．2kbps。指紋識別模塊選擇為IDWD5002，其通訊接口為RS232。該模塊作為從設備，由主設備發送相關命令對其進行控制，可調節安全等級、指紋特征數據的讀／寫和1：N識別及1：l驗證等。
使用ZigBee無線通信模塊配套的液晶擴展板，通過RS232與指紋識別模塊IDWD5002相連接。
二、指紋考勤網絡方案實現
在網絡軟件開發中，使用的是IAR7．3OB平臺，ZigBee網絡協議為Ziggee2006協議棧。
在協議安裝完成后，路徑C：＼Texas Instrument＼zstack一1．4．3—1．21＼Project＼zstack＼utilities下有的SerialApp工程實現了簡單的無線數據傳輸功能。全雙工通信和流量控制，在數據發送超時或丟包時，具有數據重發功能。因此，在此工程基礎上修改，可以實現需要的ZigBee網絡。
(一)配置網絡參數。
在本文中需要構建的是一個一層的星型網絡， 首先是設定網絡的類型。在nwk—globals．h文件中，STACK PROFILE ID 的定義就是網絡的類型，將其定義為GENERIC STAR；最大網絡深度MAX NODE DEPTH改為t。網絡中最大設備數是由NwK—MAXDEVICE—LIST確定的，而且通常都會留有一定的余量，將其改為需要的數量。在文件nwk～globals．C中，數組CskipRtrs和數組CskipChldrn確定網絡的結構，將其改為需要的值。同時，在f8wConfig．cfg中設定信道、PAN_ID、綁定表最大記錄數和單個記錄綁定族ID最大數，并加入REFLECTOR編譯標志。
(二)主體程序設計。
對于給定的SerialApp．c中，主體的框架已經有了基本的輪廓；同時在文件0SAL—SerialApp．c中任務初始化合事件添加都已經完成。我們通過對SerialApp．C和其頭文件的添加和修改就可以完成程序。網絡中的數據通信時通過命令來識別發送目的地的。’這樣可以不必注意終端網絡地址變動，而實現數據的通信。
1．設備綁定實現。
在ZigBee2006協議中，數據通信是基于命令綁定方式實現的。綁定允許應用層發送信息需要帶目的地址，APS層確定目的地址從它的綁定表格中，然后在信息前端加一h這個目的地址或組。在設備綁定中有多種綁定方式，如源綁定等。本文中采用的是源綁定方式，這需要在編譯選項中加入REFLECTOR。綁定過程是由用戶終端發起的。首先終端向協調器發送描述符匹配請求，協調器接到描述符匹配請求后，在ZDO消息處理函數中給命令輸出列表中添加輸出命令，并初始化該命令對應的管理數據單元。終端接到匹配響應后完成命令綁定。接著向協調器發送帶有綁定命令的數據幀到協調器，協調器接收到綁定命令數據幀后，重復上面的操作。這樣就完成了終端和協調器的雙向綁定，其過程如圖2所示。當終端接收到描述符匹配請求后，向協調器發送數據幀并傳送到上位機，通知終端加入網絡。
對于給定的SerialApp．c中，主體的框架已經有了基本的輪廓；同時在文件0SAL—SerialApp．c中任務初始化合事件添加都已經完成。我們通過對SerialApp．C和其頭文件的添加和修改就可以完成程序。網絡中的數據通信時通過命令來識別發送目的地的。’這樣可以不必注意終端網絡地址變動，而實現數據的通信。
1．設備綁定實現。
在ZigBee2006協議中，數據通信是基于命令綁定方式實現的。綁定允許應用層發送信息需要帶目的地址，APS層確定目的地址從它的綁定表格中，然后在信息前端加一h這個目的地址或組。在設備綁定中有多種綁定方式，如源綁定等。本文中采用的是源綁定方式，這需要在編譯選項中加入REFLECTOR。綁定過程是由用戶終端發起的。首先終端向協調器發送描述符匹配請求，協調器接到描述符匹配請求后，在ZDO消息處理函數中給命令輸出列表中添加輸出命令，并初始化該命令對應的管理數據單元。終端接到匹配響應后完成命令綁定。接著向協調器發送帶有綁定命令的數據幀到協調器，協調器接收到綁定命令數據幀后，重復上面的操作。這樣就完成了終端和協調器的雙向綁定，其過程如圖2所示。當終端接收到描述符匹配請求后，向協調器發送數據幀并傳送到上位機，通知終端加入網絡。
2．程序實現。
在本文中闡述的網絡是單層的星型數據網絡，需要為每個加入網絡的終端分配資源。在SerialApp．C中添加數據接收序列號數組和發送序列號數組，數據接收存儲結構體和數據發送結構體，修改接收和發送族數組。
協調器從串口接收到上位機傳來的數據，必須根據數據中包含的命令發送到對應的終端。根據約定的數據幀格式，從數據幀中提取命令并賦給當前發送終端參數。當數據幀接收完畢，啟動OTA發送任務將接收到的數據幀以綁定的方式發送；在接收到確認消息后繼續發送剩余的數據。如果上位機是連續發送數據，則還需要一個接收存儲結構體，使得已經接收到的數據能完整的發送給終端。對于數據的接收就相對發送就簡單得多了。指紋識別模塊向ZigBee終端發送的數據通常都是很小的，為幾卜個字節。因此協調器接收到數據后，可直接通過串口發送到上位機。
相對于協調器，用戶終端是一個精簡的ZigBee網絡單元。在指紋考勤網絡中，ZigBee終端有兩個主要功能。其一，完成數據的通信：其二，實現對指紋識別模塊的控制。由于指紋模板比較大，這就需要對從協調器接收的數據整合成一個完整的數據包。它包括指紋識別的命令包和數據包。上位機將指紋模板分割成幾個數據幀發送，這樣是為了適應協調器串口接收要求。因此，在終端接收數據時，就必須將原來完整的數據恢復，然后發送到指紋模塊。指紋模塊實現指紋識別需要外部發送指令進行控制。在ZigBee終端的液晶擴展板上有4個按鍵可用于對指紋模塊的控制。在終端的程序中加入對按鍵的響應和指紋模塊響應處理就可實現對IDWD5002指紋模塊的控制。最后在程序中將指紋識別模塊識別結果打包發送到協調器，至此完成ZigBee終端的程序設計。
(三)IDM)5002指紋識別模塊控制。
IDWD5002指紋識別模塊與zigBee終端液晶擴展板連接后，通過按下上面的按鍵，實現對其控制。從按鍵按下后，指紋采集時間約3秒，這可以通過指紋模塊進行更改。在指紋采集的過程中，光學采集儀會有紫色背景光。登記手指按下后，紫光消失。這時可以在上位機上看到識別結果。
三、調試和實際測試
在調試時需要注意對上位機通信速率進行控制。雖然ZigBee在2．4G時理論上可以達到250kbps，但是協調器從串口接收數據到收到終端確認返回是需要一段時間的。因此上位機發送數據時需要給定一個間隔的。第二，上位機發送數據必須是在協調器和終端綁定完成后才能進行。
在本文中闡述的網絡是單層的星型數據網絡，需要為每個加入網絡的終端分配資源。在SerialApp．C中添加數據接收序列號數組和發送序列號數組，數據接收存儲結構體和數據發送結構體，修改接收和發送族數組。
協調器從串口接收到上位機傳來的數據，必須根據數據中包含的命令發送到對應的終端。根據約定的數據幀格式，從數據幀中提取命令并賦給當前發送終端參數。當數據幀接收完畢，啟動OTA發送任務將接收到的數據幀以綁定的方式發送；在接收到確認消息后繼續發送剩余的數據。如果上位機是連續發送數據，則還需要一個接收存儲結構體，使得已經接收到的數據能完整的發送給終端。對于數據的接收就相對發送就簡單得多了。指紋識別模塊向ZigBee終端發送的數據通常都是很小的，為幾卜個字節。因此協調器接收到數據后，可直接通過串口發送到上位機。
相對于協調器，用戶終端是一個精簡的ZigBee網絡單元。在指紋考勤網絡中，ZigBee終端有兩個主要功能。其一，完成數據的通信：其二，實現對指紋識別模塊的控制。由于指紋模板比較大，這就需要對從協調器接收的數據整合成一個完整的數據包。它包括指紋識別的命令包和數據包。上位機將指紋模板分割成幾個數據幀發送，這樣是為了適應協調器串口接收要求。因此，在終端接收數據時，就必須將原來完整的數據恢復，然后發送到指紋模塊。指紋模塊實現指紋識別需要外部發送指令進行控制。在ZigBee終端的液晶擴展板上有4個按鍵可用于對指紋模塊的控制。在終端的程序中加入對按鍵的響應和指紋模塊響應處理就可實現對IDWD5002指紋模塊的控制。最后在程序中將指紋識別模塊識別結果打包發送到協調器，至此完成ZigBee終端的程序設計。
(三)IDM)5002指紋識別模塊控制。
IDWD5002指紋識別模塊與zigBee終端液晶擴展板連接后，通過按下上面的按鍵，實現對其控制。從按鍵按下后，指紋采集時間約3秒，這可以通過指紋模塊進行更改。在指紋采集的過程中，光學采集儀會有紫色背景光。登記手指按下后，紫光消失。這時可以在上位機上看到識別結果。
三、調試和實際測試
在調試時需要注意對上位機通信速率進行控制。雖然ZigBee在2．4G時理論上可以達到250kbps，但是協調器從串口接收數據到收到終端確認返回是需要一段時間的。因此上位機發送數據時需要給定一個間隔的。第二，上位機發送數據必須是在協調器和終端綁定完成后才能進行。
圖2終端和協調器綁定過程
首先運行上位機管理程序，接著給協調器加上電源，最后分別給zigBee終端和指紋識別模塊加上電源。在ZigBee終端綁定結束后，從上位機管理程序下載指紋模板數據到指紋識別模塊。這樣就可以進行指紋考勤了。實驗過程和結果如圖3、4所示。
圖3 上位機管理程序界面：下拉列表框空位沒有zigBee終端接入網絡
圖4指紋識別結果
對比圖3和圖4：在設備列表中可以看到新加入了編號為1020的ZigBee終端；指紋識別結果為學號3的出勤為是。
四、結論
通過在成都無線龍開發的ZigBee模塊、液晶擴展板和艾德沃德的IDWD5002指紋識別模塊的應用，基于TI的ZigBee2006協議棧zstack的程序開發，實現了無限ZigBee指紋考勤網絡。它通過從上位機下載已注冊的指紋模板到指紋識別模塊中，再將指紋識別的結果發送到上位機，完成整個指紋考的勤。整個網絡系統具有很大的使用價值。
對比圖3和圖4：在設備列表中可以看到新加入了編號為1020的ZigBee終端；指紋識別結果為學號3的出勤為是。
四、結論
通過在成都無線龍開發的ZigBee模塊、液晶擴展板和艾德沃德的IDWD5002指紋識別模塊的應用，基于TI的ZigBee2006協議棧zstack的程序開發，實現了無限ZigBee指紋考勤網絡。它通過從上位機下載已注冊的指紋模板到指紋識別模塊中，再將指紋識別的結果發送到上位機，完成整個指紋考的勤。整個網絡系統具有很大的使用價值。
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