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          EEPW首頁(yè) > 安全與國(guó)防 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于RF技術(shù)的機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖設(shè)計(jì)

          基于RF技術(shù)的機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖設(shè)計(jì)

          —— The Design of Electronic and Mechanical Anti-theft Lock Based on RF Technology
          作者:張延波 張興敢 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程系(南京210093) 時(shí)間:2008-09-18 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          摘要:本文介紹了基于、RF技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)鎖具的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)受控的彈子,只能通過(guò)設(shè)置過(guò)的合法鑰匙開啟,并且增加了防盜報(bào)警功能。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/88161.htm

          關(guān)鍵詞:;;;

            2008年6月5日收到本文修改稿。

          引言

            機(jī)械鎖和數(shù)碼鎖是我們?nèi)粘I钪凶畛R姷膬煞N鎖具。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,機(jī)械鎖在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟,而且種類繁多。機(jī)械鎖的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格較低,但機(jī)械鎖的鎖芯結(jié)構(gòu)一般是固定的,即使沒有鑰匙,專業(yè)人員通過(guò)技術(shù)手段都能很快打開,因此防盜性能相對(duì)較差。數(shù)碼鎖是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型鎖具,它可以通過(guò)鍵盤、IC卡、卡、指紋、虹膜紋或其他感應(yīng)方式開啟。數(shù)碼鎖的特點(diǎn)是使用方便,其開鎖密碼可以隨時(shí)更改,易于實(shí)現(xiàn)非法開門的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程報(bào)警。但是出于消防考慮,斷電后,所有電子數(shù)碼鎖均應(yīng)處于“常開”狀態(tài),主動(dòng)開門,失去防盜性,對(duì)于電源的過(guò)度依賴限制了數(shù)碼鎖的使用范圍。

            綜合考慮上述兩種鎖具的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖。它在保留了傳統(tǒng)機(jī)械鎖的結(jié)構(gòu)形式及其全部功能的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)可以控制鎖芯旋轉(zhuǎn)的電子彈子,該電子彈子受專門的結(jié)構(gòu)形式保護(hù),并受控于鑰匙的數(shù)碼信息,只能通過(guò)已經(jīng)被確認(rèn)的合法鑰匙來(lái)操作。當(dāng)斷定鑰匙是非法的情況下,在保證門鎖不能開啟的同時(shí),可通過(guò)警鈴鳴叫和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)將“企圖非法入侵”的信息及時(shí)報(bào)告給用戶或管理中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng),更好地保護(hù)用戶的財(cái)產(chǎn)安全。

          總體設(shè)計(jì)

            機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。硬件由數(shù)碼鑰匙,鎖芯/接插件,控制存儲(chǔ)器模塊,無(wú)線通信模塊,電源模塊,警鈴,及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊構(gòu)成。工作流程如下:當(dāng)數(shù)碼鑰匙插入鎖孔后,系統(tǒng)上電,電子彈子彈出,控制器通RF方式讀取鑰匙芯片里的數(shù)碼組,然后將此數(shù)碼組與存儲(chǔ)器模塊里存儲(chǔ)的數(shù)碼組進(jìn)行比較,若存在相同的碼組,則電子彈子收回,允許機(jī)械鑰匙進(jìn)行正常的開門過(guò)程,否則,電子彈子保持彈出狀態(tài),卡住鎖芯,禁止鎖芯的旋轉(zhuǎn),從而禁止開門,且通過(guò)無(wú)線通信模塊向電話報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào),電話報(bào)警模塊可以向用戶或管理監(jiān)測(cè)中心立即發(fā)送報(bào)警信息。


          圖1總體框圖

          硬件電路

            數(shù)據(jù)控制與傳輸

            數(shù)據(jù)的傳輸和控制通過(guò)數(shù)碼鑰匙和鎖芯接插件來(lái)完成。

            數(shù)碼鑰匙是由傳統(tǒng)的機(jī)械鑰匙改造而成,在保留機(jī)械鑰匙外形及全部牙花的基礎(chǔ)上,內(nèi)置了一個(gè)具有64位二進(jìn)制編碼的RF芯片。本系統(tǒng)采用EM4100芯片,這是一種CMOS集成電路,內(nèi)置64位激光可編程ROM,工作頻率為100KHz~150KHz。它通過(guò)放置在電磁場(chǎng)中的附加線圈獲取能量和控制時(shí)鐘,然后通過(guò)調(diào)制電流開關(guān),將預(yù)先存儲(chǔ)在內(nèi)存陣列中的64位信息碼發(fā)送出去。EM4100采用曼徹斯特編碼方式,


          圖2 EM4100 芯片數(shù)據(jù)格式

            數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示,以連續(xù)9位“1”作為數(shù)據(jù)頭,是讀取數(shù)據(jù)時(shí)的同步標(biāo)識(shí);D00~D93位是用戶定義數(shù)據(jù)位;P0~P9是行奇偶校驗(yàn)位,PC0~PC3是列奇偶校驗(yàn)位,最后以“0”作為結(jié)束標(biāo)志,這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

            在保留了傳統(tǒng)機(jī)械鎖芯結(jié)構(gòu)形式及全部功能的基礎(chǔ)上,對(duì)鎖芯進(jìn)行了改進(jìn),增加了一個(gè)受控的電子彈子和電接插件。電子彈子受控于鑰匙芯片信息,當(dāng)鑰匙芯片信息正確的情況下,電子彈子收回,允許正常的開門操作,否則,電子彈子彈出,卡住鎖芯,禁止鎖芯旋轉(zhuǎn),從而禁止開門。電接插件主要由線圈、RF芯片EM4095及附加電路組成。EM4095芯片是一種CMOS集成收發(fā)電路,配合EM4100使用,完成鑰匙信息的讀取工作。通過(guò)選取合適的電感和電容,使EM4095的震蕩頻率維持在125KHz,經(jīng)由線圈向外輻射電磁波來(lái)讀取芯片EM4100中的數(shù)據(jù),然后再將數(shù)據(jù)解調(diào),并將解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出給單片機(jī)。EM4095 電路圖如圖3所示。


          圖3 EM4095 電路圖

            控制電路由上電保持電路,電壓檢測(cè)電路,無(wú)線發(fā)射電路和Microchip公司的單片機(jī)PIC16F72等組成(見圖4)。

           


          圖4  控制電路框圖

            控制器有兩塊地,電池地和電路板地,通常情況下,這兩塊地是斷開的,電路板不能工作。當(dāng)鑰匙插入鎖芯后,機(jī)械上會(huì)使這兩塊地連通,連通后電路板就上電工作,而當(dāng)鑰匙拔出后,兩塊地又?jǐn)嚅_,電路板停止工作。電路板上電電路實(shí)際就是為兩塊地的連通提供了一條通路,通過(guò)將GNDT置“1”,即可實(shí)現(xiàn)GND和DZ導(dǎo)通,但這條通路必須在電路板已經(jīng)工作后才能建立,建立后如果機(jī)械上的通路斷了,電路板仍然可以工作,直至完成未完的報(bào)警工作,再通過(guò)將GNDT置“0”,斷開這條通路。

            整個(gè)電路采用電池供電。電壓檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓,當(dāng)檢測(cè)到電池電壓過(guò)低時(shí),通過(guò)指示燈和蜂鳴器有規(guī)律的鳴叫提醒用戶及時(shí)地更換電池,保證防盜鎖正常工作。

            當(dāng)防盜鎖控制電路檢測(cè)到非法鑰匙開門時(shí),除了通過(guò)電子彈子阻止開鎖、警鈴嚇阻提示外,還將報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路傳給電話報(bào)警模塊進(jìn)行撥打電話報(bào)警。無(wú)線發(fā)射電路的工作頻率為433MHz,采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻,頻率穩(wěn)定度極高,當(dāng)環(huán)境溫度在-25~+85度之間變化時(shí),頻飄僅為3ppm/度。發(fā)射電路未設(shè)編碼集成電路,這種結(jié)構(gòu)使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動(dòng)碼電路及單片機(jī)接口,而不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出幅度信號(hào)值的大小。比如用PT2262或者SM5262等編碼集成電路配接時(shí),直接將它們的數(shù)據(jù)輸出端接至發(fā)射電路的輸入端即可。此外此電路采用FM方式調(diào)制,以降低功耗,當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)停止時(shí)發(fā)射電流降為零。

            因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)通過(guò)電池供電,系統(tǒng)功耗高低決定了系統(tǒng)的使用前景。在芯片的采用上,選擇低功耗芯片,如PIC16F72(單片機(jī)),78L05(低功耗穩(wěn)壓芯片)等;在電路的設(shè)計(jì)中,保證系統(tǒng)能夠正常工作的情況下,合理的增大了限流電阻,有效地減小了系統(tǒng)工作電流;整個(gè)系統(tǒng)功耗比較大的部分就是RF芯片EM4095,通過(guò)合理的選擇電容電感值,使其工作在性能最穩(wěn)定的125KHz。當(dāng)不需要EM4095工作的時(shí)刻,將EM4095置為休眠狀態(tài),電流限制在1mA以下。系統(tǒng)提供了9V,900mAH的電池供電,根據(jù)實(shí)際測(cè)量和理論估計(jì),假設(shè)每次開門過(guò)程持續(xù)1分鐘時(shí)間,每天開門10次,那么一塊電池至少可以使用1年時(shí)間。

            電路中設(shè)計(jì)了專門的鑰匙設(shè)置電路來(lái)方便用戶管理鑰匙。當(dāng)設(shè)置鍵按下后,系統(tǒng)進(jìn)入鑰匙設(shè)置狀態(tài),通過(guò)發(fā)光二極管不同的顯示方式和蜂鳴器有規(guī)律的鳴叫來(lái)提示用戶進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。通過(guò)鑰匙設(shè)置電路,用戶可以方便的增加和刪除鑰匙。

            系統(tǒng)掉電以后,一些重要的信息需要保存,系統(tǒng)采用了EEPROM來(lái)保存。電路中使用的EEPROM芯片為AT24C02,它遵循I2C協(xié)議。EEPROM從地址00H到0EFH用于存儲(chǔ)合法的鑰匙序列號(hào),地址0F0H到0F3H用于存儲(chǔ)標(biāo)志數(shù)據(jù),依次為:是否第一次設(shè)置標(biāo)志,主鑰匙設(shè)置過(guò)標(biāo)志,EEPROMN待寫地址,以設(shè)置的合法鑰匙數(shù)。EEPROM地址0F8H,0F9H,0FAH用于存儲(chǔ)配對(duì)碼。

            為了防止不同用戶之間報(bào)警信息的相互干擾,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)碼功能。當(dāng)對(duì)碼設(shè)置鍵按下后,系統(tǒng)讀取存儲(chǔ)在EEPROM從地址0F8H開始的3個(gè)字節(jié)對(duì)碼數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路將用戶設(shè)置的對(duì)碼信息發(fā)送給報(bào)警器完成對(duì)碼設(shè)置過(guò)程。對(duì)碼過(guò)程結(jié)束以后,電話報(bào)警器僅對(duì)對(duì)碼信息正確的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理。

          軟件設(shè)計(jì)

            系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想,方便了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以及后期功能的修改。

            軟件的設(shè)計(jì)主要分為幾大模塊:主程序模塊,設(shè)置模塊,信息檢測(cè)模塊,對(duì)模塊和報(bào)警模塊。

            主程序模塊用來(lái)完成系統(tǒng)的初始化,通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊之間的工作,附加一些輔助功能,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

            設(shè)置模塊用來(lái)完成鑰匙信息的設(shè)置及保存功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在“母鑰匙”和“子鑰匙”兩個(gè)概念,“母鑰匙”由主人持有,具有最大的權(quán)限,鑰匙的添加和刪除都需要“母鑰匙”的參與。“子鑰匙”可以由主人分配給短期內(nèi)需要具有開門權(quán)限的用戶,僅具有開門的基本權(quán)限。“母鑰匙”和“子鑰匙”的設(shè)計(jì)思想極大的方便了主人對(duì)于鑰匙的管理,如果有鑰匙不慎丟失,可以及時(shí)地將丟失的鑰匙的開門功能取消掉,更好的保證了個(gè)人的財(cái)產(chǎn)安全。

            信息檢測(cè)模塊通過(guò)控制硬件電路讀取鑰匙信息,以及完成鑰匙信息的校驗(yàn)工作。在整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中,它輔助其他模塊完成相應(yīng)的功能。

            對(duì)碼模塊主要完成系統(tǒng)的對(duì)碼功能。對(duì)碼過(guò)程如下:讀取存儲(chǔ)在EEPROM中從0F8H開始的3個(gè)字節(jié)的對(duì)碼標(biāo)志字,按照對(duì)碼信息的格式,通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路將對(duì)碼信息發(fā)送出去。對(duì)碼信息格式如下:信息頭+3個(gè)字節(jié)對(duì)碼信息+1位奇偶校驗(yàn)位+信息尾。

            報(bào)警模塊主要完成系統(tǒng)的報(bào)警功能。當(dāng)確認(rèn)為非法開門時(shí),報(bào)警模塊被調(diào)用,此時(shí)上電保持電路工作,發(fā)送報(bào)警信息給電話報(bào)警器和用戶,保護(hù)用戶的財(cái)產(chǎn)安全,并且控制蜂鳴器鳴叫,嚇阻非法入侵者,當(dāng)報(bào)警信號(hào)發(fā)送完成以后,系統(tǒng)關(guān)閉上電保持電路,如果此時(shí)拔出鑰匙,電池地和電路板地之間的連接將會(huì)斷開,整個(gè)電路將會(huì)斷開,警鈴?fù)V锅Q叫,這樣,可以有效地降低系統(tǒng)功耗。而此時(shí),可以認(rèn)為不存在非法開門威脅,所以,不會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。報(bào)警信息格式如下:信息頭+ 3個(gè)字節(jié)的對(duì)碼信息+1字節(jié)的報(bào)警信息+1位奇偶校驗(yàn)位+信息尾。

          測(cè)試結(jié)果

            系統(tǒng)完成后,配合電話報(bào)警器進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下:

            靜態(tài)工作電流:4~5mA;
            讀卡期間工作電流:50mA左右;
            報(bào)警期間工作電流:10mA左右;
            讀卡距離:4~5cm;
            報(bào)警信號(hào)有效距離(空曠地帶):80米左右;報(bào)警信號(hào)有效距離(建筑物內(nèi)):50米左右;
            測(cè)試工作情況:

            由于實(shí)驗(yàn)條件所限,僅能夠進(jìn)行上述測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。

          結(jié)語(yǔ)

            機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖是一種將傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的新型防盜鎖具,它具有使用方便,安全,可靠等特點(diǎn),而且具有很好的功能擴(kuò)展性,可以很好的與其它的產(chǎn)品(電話報(bào)警器,紅外報(bào)警器等)配套使用。

          參考文獻(xiàn):

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