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

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)過長期的發(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)人員通過技術(shù)手段都能很快打開，因此防盜性能相對較差。數(shù)碼鎖是近幾年發(fā)展起來的一種新型鎖具，它可以通過鍵盤、IC卡、RFID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，對于電源的過度依賴限制了數(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，只能通過已經(jīng)被確認(rèn)的合法鑰匙來操作。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，且通過無線通信模塊向電話報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信號，電話報(bào)警模塊可以向用戶或管理監(jiān)測中心立即發(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)的傳輸和控制通過數(shù)碼鑰匙和鎖芯接插件來完成。 

　　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。它通過放置在電磁場中的附加線圈獲取能量和控制時(shí)鐘，然后通過調(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；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，電壓檢測電路，無線發(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。電壓檢測電路實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓，當(dāng)檢測到電池電壓過低時(shí)，通過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到非法鑰匙開門時(shí)，除了通過電子彈子阻止開鎖、警鈴嚇阻提示外，還將報(bào)警信息通過無線發(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)信號停止時(shí)發(fā)射電流降為零。 

　　因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)通過電池供電，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)際測量和理論估計(jì)，假設(shè)每次開門過程持續(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)律的鳴叫來提示用戶進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。通過鑰匙設(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，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)了對碼功能。當(dāng)對碼設(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)對碼數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)射電路將用戶設(shè)置的對碼信息發(fā)送給報(bào)警器完成對碼設(shè)置過程。對碼過程結(jié)束以后，電話報(bào)警器僅對對碼信息正確的報(bào)警信號進(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，信息檢測模塊，對模塊和報(bào)警模塊。 

　　主程序模塊用來完成系統(tǒng)的初始化，通過協(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?！白予€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?！澳歌€匙”和“子鑰匙”的設(shè)計(jì)思想極大的方便了主人對于鑰匙的管理，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。 

　　信息檢測模塊通過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。 

　　對碼模塊主要完成系統(tǒng)的對碼功能。對碼過程如下：讀取存儲(chǔ)在EEPROM中從0F8H開始的3個(gè)字節(jié)的對碼標(biāo)志字，按照對碼信息的格式，通過無線發(fā)射電路將對碼信息發(fā)送出去。對碼信息格式如下：信息頭+3個(gè)字節(jié)對碼信息+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)安全問題。報(bào)警信息格式如下：信息頭+ 3個(gè)字節(jié)的對碼信息+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)地測量。具體測試數(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)警信號有效距離(空曠地帶)：80米左右；報(bào)警信號有效距離(建筑物內(nèi))：50米左右； 
　　測試工作情況： 

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

結(jié)語 

　　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。 

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