2020年02月15日 | 基于RF技术的机械数码一体化防盗锁设计

引 言
  
　　机械锁和数码锁是我们日常生活中最常见的两种锁具。经过长期的发展，机械锁在技术上已经非常成熟，而且种类繁多。机械锁的主要特点是简单、可靠、价格较低，但机械锁的锁芯结构一般是固定的，即使没有钥匙，专业人员通过技术手段都能很快打开，因此防盗性能相对较差。数码锁是近几年发展起来的一种新型锁具，它可以通过键盘、IC卡、RFID卡、指纹、虹膜纹或其他感应方式开启。数码锁的特点是使用方便，其开锁密码可以随时更改，易于实现非法开门的现场和远程报警。但是出于消防考虑，断电后，所有电子数码锁均应处于“常开”状态，主动开门，失去防盗性，对于电源的过度依赖限制了数码锁的使用范围。 

　　综合考虑上述两种锁具的特点，本文设计了一套机械数码一体化防盗锁。它在保留了传统机械锁的结构形式及其全部功能的基础上，增加一个可以控制锁芯旋转的电子弹子，该电子弹子受专门的结构形式保护，并受控于钥匙的数码信息，只能通过已经被确认的合法钥匙来操作。当断定钥匙是非法的情况下，在保证门锁不能开启的同时，可通过警铃鸣叫和远程报警系统将“企图非法入侵”的信息及时报告给用户或管理中心监测系统，更好地保护用户的财产安全。  

总体设计  

　　机械数码一体化防盗锁的总体设计框图如图1所示。硬件由数码钥匙，锁芯/接插件，控制存储器模块，无线通信模块，电源模块，警铃，及相应的扩展模块构成。工作流程如下：当数码钥匙插入锁孔后，系统上电，电子弹子弹出，控制器通RF方式读取钥匙芯片里的数码组，然后将此数码组与存储器模块里存储的数码组进行比较，若存在相同的码组，则电子弹子收回，允许机械钥匙进行正常的开门过程，否则，电子弹子保持弹出状态，卡住锁芯，禁止锁芯的旋转，从而禁止开门，且通过无线通信模块向电话报警模块发送报警信号，电话报警模块可以向用户或管理监测中心立即发送报警信息。  

 
图1总体框图

硬件电路  

　　·数据控制与传输  

　　数据的传输和控制通过数码钥匙和锁芯接插件来完成。  

　　数码钥匙是由传统的机械钥匙改造而成，在保留机械钥匙外形及全部牙花的基础上，内置了一个具有64位二进制编码的RF芯片。本系统采用EM4100芯片，这是一种CMOS集成电路，内置64位激光可编程ROM，工作频率为100KHz~150KHz。它通过放置在电磁场中的附加线圈获取能量和控制时钟，然后通过调制电流开关，将预先存储在内存阵列中的64位信息码发送出去。EM4100采用曼彻斯特编码方式，  

 
图2 EM4100 芯片数据格式 

　　数据结构如图2所示，以连续9位“1”作为数据头，是读取数据时的同步标识；D00～D93位是用户定义数据位；P0～P9是行奇偶校验位，PC0～PC3是列奇偶校验位，最后以“0”作为结束标志，这种数据结构有效的保证了数据传输的正确性。
  
　　在保留了传统机械锁芯结构形式及全部功能的基础上，对锁芯进行了改进，增加了一个受控的电子弹子和电接插件。电子弹子受控于钥匙芯片信息，当钥匙芯片信息正确的情况下，电子弹子收回，允许正常的开门操作，否则，电子弹子弹出，卡住锁芯，禁止锁芯旋转，从而禁止开门。电接插件主要由线圈、RF芯片EM4095及附加电路组成。EM4095芯片是一种CMOS集成收发电路，配合EM4100使用，完成钥匙信息的读取工作。通过选取合适的电感和电容，使EM4095的震荡频率维持在125KHz，经由线圈向外辐射电磁波来读取芯片EM4100中的数据，然后再将数据解调，并将解调后的数据输出给单片机。EM4095 电路图如图3所示。

 
图3 EM4095 电路图 

　　控制电路由上电保持电路，电压检测电路，无线发射电路和Microchip公司的单片机PIC16F72等组成（见图4）。

 
图4 控制电路框图 

　　控制器有两块地，电池地和电路板地，通常情况下，这两块地是断开的，电路板不能工作。当钥匙插入锁芯后，机械上会使这两块地连通，连通后电路板就上电工作，而当钥匙拔出后，两块地又断开，电路板停止工作。电路板上电电路实际就是为两块地的连通提供了一条通路，通过将GNDT置“1”，即可实现GND和DZ导通，但这条通路必须在电路板已经工作后才能建立，建立后如果机械上的通路断了，电路板仍然可以工作，直至完成未完的报警工作，再通过将GNDT置“0”，断开这条通路。

　　整个电路采用电池供电。电压检测电路实时监测电池电压，当检测到电池电压过低时，通过指示灯和蜂鸣器有规律的鸣叫提醒用户及时地更换电池，保证防盗锁正常工作。  

　　当防盗锁控制电路检测到非法钥匙开门时，除了通过电子弹子阻止开锁、警铃吓阻提示外，还将报警信息通过无线发射电路传给电话报警模块进行拨打电话报警。无线发射电路的工作频率为433MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。发射电路未设编码集成电路，这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。比如用PT2262或者SM5262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端接至发射电路的输入端即可。此外此电路采用FM方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零。  

　　因为整个系统通过电池供电，系统功耗高低决定了系统的使用前景。在芯片的采用上，选择低功耗芯片，如PIC16F72（单片机），78L05（低功耗稳压芯片）等；在电路的设计中，保证系统能够正常工作的情况下，合理的增大了限流电阻，有效地减小了系统工作电流；整个系统功耗比较大的部分就是RF芯片EM4095，通过合理的选择电容电感值，使其工作在性能最稳定的125KHz。当不需要EM4095工作的时刻，将EM4095置为休眠状态，电流限制在1mA以下。系统提供了9V，900mAH的电池供电，根据实际测量和理论估计，假设每次开门过程持续1分钟时间，每天开门10次，那么一块电池至少可以使用1年时间。  

　　电路中设计了专门的钥匙设置电路来方便用户管理钥匙。当设置键按下后，系统进入钥匙设置状态，通过发光二极管不同的显示方式和蜂鸣器有规律的鸣叫来提示用户进行相应的设置。通过钥匙设置电路，用户可以方便的增加和删除钥匙。  

　　系统掉电以后，一些重要的信息需要保存，系统采用了EEPROM来保存。电路中使用的EEPROM芯片为AT24C02，它遵循I2C协议。EEPROM从地址00H到0EFH用于存储合法的钥匙序列号，地址0F0H到0F3H用于存储标志数据，依次为：是否第一次设置标志，主钥匙设置过标志，EEPROMN待写地址，以设置的合法钥匙数。EEPROM地址0F8H，0F9H，0FAH用于存储配对码。  

　　为了防止不同用户之间报警信息的相互干扰，系统设计了对码功能。当对码设置键按下后，系统读取存储在EEPROM从地址0F8H开始的3个字节对码数据，通过无线发射电路将用户设置的对码信息发送给报警器完成对码设置过程。对码过程结束以后，电话报警器仅对对码信息正确的报警信号进行处理。
  
软件设计  

　　系统软件的设计采用了模块化设计的思想，方便了系统功能的实现以及后期功能的修改。  

　　软件的设计主要分为几大模块：主程序模块，设置模块，信息检测模块，对模块和报警模块。  

　　主程序模块用来完成系统的初始化，通过协调各个子模块之间的工作，附加一些辅助功能，实现整个系统的功能。  

　　设置模块用来完成钥匙信息的设置及保存功能。系统设计中存在“母钥匙”和“子钥匙”两个概念，“母钥匙”由主人持有，具有最大的权限，钥匙的添加和删除都需要“母钥匙”的参与。“子钥匙”可以由主人分配给短期内需要具有开门权限的用户，仅具有开门的基本权限。“母钥匙”和“子钥匙”的设计思想极大的方便了主人对于钥匙的管理，如果有钥匙不慎丢失，可以及时地将丢失的钥匙的开门功能取消掉，更好的保证了个人的财产安全。  

　　信息检测模块通过控制硬件电路读取钥匙信息，以及完成钥匙信息的校验工作。在整个系统软件的设计中，它辅助其他模块完成相应的功能。  

　　对码模块主要完成系统的对码功能。对码过程如下：读取存储在EEPROM中从0F8H开始的3个字节的对码标志字，按照对码信息的格式，通过无线发射电路将对码信息发送出去。对码信息格式如下：信息头+3个字节对码信息+1位奇偶校验位+信息尾。  

　　报警模块主要完成系统的报警功能。当确认为非法开门时，报警模块被调用，此时上电保持电路工作，发送报警信息给电话报警器和用户，保护用户的财产安全，并且控制蜂鸣器鸣叫，吓阻非法入侵者，当报警信号发送完成以后，系统关闭上电保持电路，如果此时拔出钥匙，电池地和电路板地之间的连接将会断开，整个电路将会断开，警铃停止鸣叫，这样，可以有效地降低系统功耗。而此时，可以认为不存在非法开门威胁，所以，不会出现安全问题。报警信息格式如下：信息头+ 3个字节的对码信息+1字节的报警信息+1位奇偶校验位+信息尾。  

测试结果  

　　系统完成后，配合电话报警器进行了实地测量。具体测试数据如下：  

　　静态工作电流：4～5mA；  
　　读卡期间工作电流：50mA左右；  
　　报警期间工作电流：10mA左右；  
　　读卡距离：4～5cm；  
　　报警信号有效距离（空旷地带）：80米左右；报警信号有效距离（建筑物内）：50米左右；
  
　　测试工作情况：

　　由于实验条件所限，仅能够进行上述测试，测试结果表明，系统满足设计需求。 

结 语  

　　机械数码一体化防盗锁是一种将传统工艺与现代技术相结合的新型防盗锁具，它具有使用方便，安全，可靠等特点，而且具有很好的功能扩展性，可以很好的与其它的产品（电话报警器，红外报警器等）配套使用。