使用TEMIC感應卡技術(shù)的智能電子門(mén)鎖系統

關(guān)鍵詞：感應卡技術(shù) 智能門(mén)鎖 一卡通

1 概述

早期的智能電子門(mén)鎖是采用磁卡作為開(kāi)門(mén)鑰匙的磁卡鎖，主要用于賓館客房。隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，功能更強、可靠性更高的接觸式IC卡智能電子門(mén)鎖成為主流。接觸式IC卡電子鎖的主要優(yōu)點(diǎn)是卡片存儲容量大，有比較完善的完全機制。采用智能電子門(mén)鎖，可靈活地設定多種開(kāi)門(mén)權限，防止非法復制，實(shí)現分級管理和分區域管理。其時(shí)間控制功能和存儲開(kāi)門(mén)記錄功能徹底改變了機械式門(mén)鎖功能單一狀況，使門(mén)鎖成為管理體系的一部分，大大提高管理水平和服務(wù)水平，因此逐漸成為星級賓館的基本設施之一。

進(jìn)入21世紀，感應式IC卡（也稱(chēng)非接觸式IC卡）技術(shù)迅速發(fā)展，新一代的基于感應式IC卡技術(shù)的智能電子門(mén)鎖也應運而生。由于感應式智能電子門(mén)鎖無(wú)機械接觸，不會(huì )產(chǎn)生摩擦，因此減少了磨損和人為損壞，大大降低了故障率。目前，感應式電子鎖的應用領(lǐng)域正不斷擴展，已從傳統的酒店業(yè)擴展到高級辦公場(chǎng)所、高級公寓，甚至進(jìn)入了家庭。

本文重點(diǎn)討論適用于高級賓館的感應式智能電子門(mén)鎖系統。

2 系統組成及功能

感應式智能電子門(mén)鎖系統通常由智能電子門(mén)鎖、感應卡、發(fā)卡管理軟件、手持式POS機和發(fā)卡器等5個(gè)部分組成。下面介紹各部分的主要功能。

（1）智能電子門(mén)鎖

安裝于客戶(hù)門(mén)上。當有感應卡接近鎖體上的天線(xiàn)時(shí)，鎖內的微控制器（MCU）自動(dòng)啟動(dòng)讀卡程序。如果讀到的是有效卡，則驅動(dòng)微電機，帶動(dòng)離合機構，此時(shí)按下手柄，鎖就被打開(kāi)；如果讀到的是非有效卡，則發(fā)出無(wú)效卡提示，此時(shí)也能按下手柄，但鎖無(wú)法被打開(kāi)。

智能電子門(mén)鎖的主要功能：

*分區管理功能――支持分區管理，服務(wù)卡僅在本服務(wù)區內有效；

*分級管理功能――支持服務(wù)區、樓層、樓座、酒店四級管理；

*時(shí)效控制功能――無(wú)論賓客卡還是職員卡，都有時(shí)效限制，到其自動(dòng)失效；

*時(shí)間表功能――可在每周7天中，指定有效日和無(wú)效日；

*時(shí)間窗功能――可在每天24小時(shí)中，規定有效時(shí)段和無(wú)效時(shí)段；

*新卡替舊卡功能――新發(fā)的卡可自動(dòng)終止舊卡；

*終止/恢復功能――可使用終止卡使指定客房門(mén)鎖暫停使用，可使用恢復卡使暫停使用的客房門(mén)鎖恢復使用；

*開(kāi)鎖記錄功能――刷卡時(shí)，門(mén)鎖將卡號和開(kāi)門(mén)時(shí)間記錄在鎖中，供隨時(shí)查詢(xún)，最大記錄數為240條；

*低電壓提示功能――當電池電壓低于5.1V時(shí)，綠燈和黃燈同時(shí)亮起，提醒用戶(hù)換電池（低電壓提示后，仍能開(kāi)鎖100次以上）；

*反鎖功能――開(kāi)門(mén)卡可設定為允許開(kāi)反鎖或不允許開(kāi)反鎖；

*常開(kāi)功能――辦公型鎖具有常開(kāi)功能，酒店型無(wú)此功能。

（2）感應卡

卡類(lèi)型及功能如表1所列。

表1

（3）發(fā)卡管理軟件

發(fā)卡管理軟件的主要功能；

*系統管理――操作日志、密碼更改、操作員設定、系統暫停；

*功能管理――用戶(hù)信息、管理區域、房間設定；默認參數設置；

*通訊管理――門(mén)鎖數據通信、基本信息查/詢(xún)、開(kāi)鎖記錄查詢(xún)；

*客房管理――制賓客卡、客人退卡、改有效期、空房查詢(xún)、入住情況、退卡查詢(xún)；

*員工管理――制員工卡、退員工卡、改員工卡、員工卡查詢(xún)、制處理卡。

（4）手持式POS機

手持式POS機用于發(fā)卡管理軟件和智能門(mén)鎖之間的信息溝通。發(fā)卡管理軟件通過(guò)RS232串口將酒店識別號、房間號、讀卡密碼等信息下載到POS機，再由POS機通過(guò)RS232串口將酒店識別號、房間號、讀卡密碼等信息下載到智能門(mén)鎖，同時(shí)可校對時(shí)間。同樣，存放在鎖內的開(kāi)鎖記錄，也由POS機上傳到發(fā)卡管理軟件進(jìn)行統計分析。

（5）發(fā)卡器

實(shí)際上，發(fā)卡器是一臺TEMIC卡讀寫(xiě)器，與發(fā)卡管理軟件配合使用，完成發(fā)卡、鎖卡、卡查詢(xún)等功能。

3 智能電子門(mén)鎖設計

智能電子門(mén)鎖是整個(gè)系統的關(guān)鍵設備。智能門(mén)鎖的主要設計目標是：設計合理的卡數據結構，確保在實(shí)現功能的前提下，支持系統功能擴展，即支持“一卡通”功能；系統靜態(tài)功耗更要足夠低；具有很高的可靠性和足夠的安全性。

（1）TEMIC感應卡技術(shù)

德國TEMIC公司（現已被美國Atmel公司收購）研制開(kāi)發(fā)了一系列非接觸IC卡產(chǎn)品，包括e5530、e5550、e5551、e5560、e5561應答器芯片和U2270B讀寫(xiě)基站芯片。應答器通常封裝成卡片形式，也可以封裝成玻璃管中。

下面簡(jiǎn)單介紹應答器e5550。e5550為帶264位EEPROM的TEMIC標準讀寫(xiě)應答器芯片，其存儲區分為8個(gè)區，每區33位。0位為該區鎖定位，一旦鎖上（置1），該區即被“寫(xiě)保護"，阻止任何改寫(xiě)。0區存放模式字，其讀寫(xiě)操作取決于模式字的設置，如波特率、發(fā)送數據調制方式、最大允許傳送數據區、口令和AOR功能及鎖定位的設置等。1～6區為用戶(hù)數據區，可按區讀寫(xiě)。7區在口令模式工作時(shí)為口令區，如果不需要口令保護，7區也可以與1～6區一樣用做用戶(hù)數據區。

讀寫(xiě)基站芯片U2270B配以少量外圍器件和耦合天線(xiàn)，與MCU一樣構成讀寫(xiě)器。也可以說(shuō)，U2270B讀寫(xiě)基站芯片是MCU與應答器之間的通信接口。應答器進(jìn)入RF磁場(chǎng)，經(jīng)線(xiàn)圈感應得到電能并自動(dòng)加電復位后，等待256個(gè)RF場(chǎng)時(shí)鐘周期后，開(kāi)始按照模式字設定的比特率和調制方式，對存儲器相應區數據重復讀取并發(fā)送?；拘酒瑢邮盏降男盘栠M(jìn)行解調，并以曼徹斯特碼方式發(fā)送給MCU，曼徹斯特碼解碼工作由MCU程序完成。MCU通過(guò)對基站芯片的CFE進(jìn)行控制，以短間隙射頻場(chǎng)中斷的辦法，將數據寫(xiě)入應答器。

（2）硬件設計

智能電子門(mén)鎖的原理如圖1所示。微控制器（MCU）采用美國Microchip公司的8位微控制器（PIC16F73）。紅外線(xiàn)檢測電路的作用是探測有無(wú)感應卡靠近，每隔一定時(shí)間，發(fā)射電路會(huì )自動(dòng)射紅外線(xiàn)信號，如有物體靠近，接收電路就會(huì )收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)信號，并立即通知MCU進(jìn)行讀卡操作。感應卡讀寫(xiě)IC在MCU驅動(dòng)下，對感應卡進(jìn)行讀操作，然后將讀到的數據曼徹斯特碼形式返回給MCU，由MCU通過(guò)程序解碼；將解碼后的卡上數據與存儲器中存放的鎖內參數進(jìn)行核驗，并依據當前時(shí)間，確定是否是有效卡；如果有效卡，則啟動(dòng)電機驅動(dòng)電路開(kāi)鎖，同時(shí)將相關(guān)信息（開(kāi)鎖記錄）存入存儲器。MCU通過(guò)RS232接口與手持式POS機進(jìn)行通信，從POS機接收各種設置數據、校對時(shí)間等；在必要時(shí)可將鎖內存放的開(kāi)鎖記錄傳送給POS機，然后傳遞到電腦，進(jìn)行統計分析。低電壓檢測 電路自動(dòng)對電池電壓進(jìn)行監測，一旦電池電壓下降到規定值，立即通知MCU，由MCU啟動(dòng)黃色低電壓提示LED，提醒客戶(hù)盡快地換電池。電源電路在控制功耗方面起著(zhù)重要作用。它在MCU的控制下為包括MCU在內各部分電路提供電源，并可以在不同狀態(tài)下，根據實(shí)際需要改變電壓值，從而使總體功耗保持最低，延長(cháng)電池使用壽命。

（3）微控制器軟件設計

MCU控制軟件整個(gè)系統中最重要的環(huán)境。我們使用匯編語(yǔ)言編程，采用自頂向下（top-down）的程序設計方法，遵循結構化程序設計的原則，使軟件效率和可維護性較高。

軟件主要分以下5個(gè)功能模塊：初始化與自檢模塊、解碼與讀卡模塊、數據校驗模塊、通信模塊和串行存儲器讀寫(xiě)模塊等。串行存儲器讀寫(xiě)模塊的主要功能是，為其它模塊提供訪(fǎng)問(wèn)串行存儲器的讀寫(xiě)模塊子程序。因此，除串行存儲器讀寫(xiě)模塊外，其余4個(gè)模塊相對獨立。這樣，就降低了程序編制、調試的復雜性，提高了軟件的可靠性和可維護性。

初始化與自檢模塊的功能是使系統恢復到初始狀態(tài)，并對各硬件電路進(jìn)行檢測。檢測范圍包括：感應卡讀寫(xiě)IC是否正常、實(shí)時(shí)時(shí)鐘是否正常工作、串行存儲器讀寫(xiě)是否正確、紅外線(xiàn)檢測電路是否正常工作、電機驅動(dòng)電路、蜂鳴器及LED顯示等。利用LED的亮/滅組合指示故障電路，自檢覆蓋率達90%以上，大大提高了生產(chǎn)和維修工作的效率。

解碼與讀卡模塊主要負責驅動(dòng)感應卡讀寫(xiě)IC，并對其返回的曼徹斯特碼數據進(jìn)行解碼。提高解碼的速度和成功率是編制該模塊的難點(diǎn)。成功解碼后，解碼與讀卡模塊將讀到的卡上數據以二進(jìn)制碼形式傳送給數據校驗模塊進(jìn)行處理。后者以當前時(shí)間和存放在串行存儲器中的設置數據為依據進(jìn)行校驗，確認是否為有效卡，從而決定是否開(kāi)鎖，并完成寫(xiě)開(kāi)鎖記錄、新卡替舊卡等操作。

通信模塊負責控制與手掛式POS機的通信，利用POS機設置門(mén)鎖的房間號、開(kāi)始時(shí)間、結束時(shí)間、讀卡密碼、當前時(shí)間等重要參數，并將存放在鎖內的開(kāi)鎖記錄上傳，以便傳遞到電腦進(jìn)行統計分析。為防止非法操作，通信時(shí)要進(jìn)行密碼核對。

（4）低功耗技術(shù)

由于采用電池供電，在設計智能電子門(mén)鎖時(shí)必須很好地解決低功耗問(wèn)題。在靜態(tài)時(shí)，平均電流應保持在25μA左右，這樣，4節5號堿性電池的使用壽命一般可達1年以上。為此，我們采取以下措施：

①選用PIC16F73。該芯片在睡眠模式下，如果I/O口狀態(tài)設置得當，電池可控制在1μA左右。

②盡可能降低晶振頻率。由于PIC16F73采用了先進(jìn)的RISC結構，即使在晶振頻率較低的情況下，也能穩定工作，并提供足夠的處理能力。

③盡可能延長(cháng)睡眠時(shí)間，縮短工作時(shí)間。為此，采用了紅外線(xiàn)探測技術(shù)。MCU在99%以上的時(shí)間內都處于功耗極低的睡眠狀態(tài)，讀卡IC等大多數電路也停止工作，只有紅外線(xiàn)檢測電路定時(shí)發(fā)射紅外線(xiàn)信號。若無(wú)物體靠近，接收電路不會(huì )接收到紅外線(xiàn)信號，MCU就繼續睡眠；如有物體靠近，接收電路就會(huì )收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)信號，并立即通知MCU進(jìn)行讀卡操作。處理好紅外線(xiàn)檢測電路的靈敏度和抗干擾能力的關(guān)系非常重要，如果靈敏度太低，就會(huì )產(chǎn)生讀卡反應慢的現象；如果對抗干擾能夠不夠，各種燈光或太陽(yáng)光中的紅外線(xiàn)可能引起誤觸發(fā)，使系統經(jīng)常處于工作狀態(tài)，都會(huì )嚴重影響系統性能。

④采用可由MCU控制的電源電路。當某些電路不工作時(shí)，就停止供電，等到需要工作時(shí)再供電；對某些電路，還可以降低供電電壓，以達到節電的目的。

（5）安全性與可靠性

門(mén)鎖系統在安全性方面需要解決的問(wèn)題是：防止開(kāi)門(mén)卡被非法復制；防止用非正常方式（如果工具撥、撬，用強力磁鐵吸等）開(kāi)鎖；鎖體具備一定程序的抗外力破壞能力。

為了防止開(kāi)門(mén)卡被非法復制，每一張卡片在出廠(chǎng)以前都進(jìn)行了加密，不同的客戶(hù)使用互不相同的密碼。發(fā)卡管理軟件也用密碼保護，避免非授權人員利用發(fā)卡管理軟件非法制卡。由于采用三鎖防撥鎖芯，門(mén)關(guān)上時(shí)，防撥鎖被門(mén)框壓緊，自動(dòng)鎖定主鎖，無(wú)法用工具撥開(kāi)或撬開(kāi)；電機帶動(dòng)的離合機構具有防強力磁鐵吸合功能；鎖制前鎖體上無(wú)任何鏍釘外露，防折防砸。

門(mén)鎖系統的可靠性也非常重要。我們從硬件設計和軟件設計兩方面來(lái)提高系統的綜合可靠性。在硬件方面，我們選用的主處理器PIC16F73具有較高的抗干擾能力，內部包含了具有獨立RC振蕩器的“看門(mén)狗（WDT）”電路，在程序跑飛時(shí)可自動(dòng)將CPU復位，恢復正常運行；對存儲重要數據的EEPROM，采用硬件寫(xiě)保護措施，避免數據在受到干擾時(shí)丟失；盡量使用貼片元件，嚴格進(jìn)行老化篩選，保證元件品質(zhì)PCB布線(xiàn)方面，采取一系列措施，提高抗干擾能力。

在軟件設計方面，我們通過(guò)刷新各寄存器和SRAM單元，確何即使這些寄存器或SRAM單元受到干擾而被修改，也能立即恢復。在程序中，避免危險程序結構也是提高可靠性的重要措施。有幾種循環(huán)結構容易造成“死循環(huán)”隱串民，例如，在執行某個(gè)功能時(shí)，必須循環(huán)等待某個(gè)由中斷或定時(shí)器產(chǎn)生的條件；由于等待的時(shí)間可能較長(cháng)，在循環(huán)中會(huì )包含清WDT指令，這在正常流程中不會(huì )發(fā)生問(wèn)題。但是，如果PC內容受到干擾而改變，程序跑飛后，正好落在這種循環(huán)中，此時(shí)中斷或定時(shí)器可能未被打開(kāi)，于是程序就會(huì )循環(huán)等待一個(gè)不可能出現的條件，即出現“死循環(huán)”。這種情況雖然出現概率較小，但也必須加以防止。

另外前面提到，為降低功耗，99%以上的時(shí)間內MCU都處于功耗極低的睡眠狀態(tài)，大部分電路的電源被關(guān)閉。這種狀態(tài)下，抗干擾能力也較強。

結語(yǔ)

上述感應式智能電子門(mén)鎖經(jīng)過(guò)充分測試和近1年的實(shí)際使用，結果表明，該系統在軟硬件功能、完全性、可靠性、低功耗等方面都已達到了設計要求。由于在設計之初，就考慮到要實(shí)現“一卡通”應用，所以系統具有很好的擴展性。目前，已在酒店型智能電子門(mén)鎖的基礎上，發(fā)展出無(wú)需發(fā)卡管理軟件，用戶(hù)可自行發(fā)卡，獨立使用的辦公型電子門(mén)鎖和家用型電子門(mén)鎖系統，使用方便、安全可靠的保險箱系統，使用RS485總線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的智能消費終端，門(mén)禁/考勤系統等7個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)品系列。這個(gè)產(chǎn)品系列中的各個(gè)產(chǎn)品，不但在功能上實(shí)現了“一卡通”，而且使用的許多元器件都是相同的，部分產(chǎn)品之間甚至可以互換電路板，降低了生產(chǎn)的復雜性和產(chǎn)品成本。