基于RF技術(shù)的機械數碼一體化防盜鎖設計

摘要：本文介紹了基于PIC單片機、RF技術(shù)和無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)的機械數碼一體化防盜鎖的設計。機械數碼一體化防盜鎖在傳統鎖具的基礎上增加了一個(gè)受控的彈子，只能通過(guò)設置過(guò)的合法鑰匙開(kāi)啟，并且增加了防盜報警功能。

關(guān)鍵詞：機械數碼一體化；PIC單片機；RFID；防盜鎖

　　2008年6月5日收到本文修改稿。

引言

　　機械鎖和數碼鎖是我們日常生活中最常見(jiàn)的兩種鎖具。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展，機械鎖在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，而且種類(lèi)繁多。機械鎖的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格較低，但機械鎖的鎖芯結構一般是固定的，即使沒(méi)有鑰匙，專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)技術(shù)手段都能很快打開(kāi)，因此防盜性能相對較差。數碼鎖是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型鎖具，它可以通過(guò)鍵盤(pán)、IC卡、RFID卡、指紋、虹膜紋或其他感應方式開(kāi)啟。數碼鎖的特點(diǎn)是使用方便，其開(kāi)鎖密碼可以隨時(shí)更改，易于實(shí)現非法開(kāi)門(mén)的現場(chǎng)和遠程報警。但是出于消防考慮，斷電后，所有電子數碼鎖均應處于“常開(kāi)”狀態(tài)，主動(dòng)開(kāi)門(mén)，失去防盜性，對于電源的過(guò)度依賴(lài)限制了數碼鎖的使用范圍。

　　綜合考慮上述兩種鎖具的特點(diǎn)，本文設計了一套機械數碼一體化防盜鎖。它在保留了傳統機械鎖的結構形式及其全部功能的基礎上，增加一個(gè)可以控制鎖芯旋轉的電子彈子，該電子彈子受專(zhuān)門(mén)的結構形式保護，并受控于鑰匙的數碼信息，只能通過(guò)已經(jīng)被確認的合法鑰匙來(lái)操作。當斷定鑰匙是非法的情況下，在保證門(mén)鎖不能開(kāi)啟的同時(shí)，可通過(guò)警鈴鳴叫和遠程報警系統將“企圖非法入侵”的信息及時(shí)報告給用戶(hù)或管理中心監測系統，更好地保護用戶(hù)的財產(chǎn)安全。

總體設計

　　機械數碼一體化防盜鎖的總體設計框圖如圖1所示。硬件由數碼鑰匙，鎖芯/接插件，控制存儲器模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊，電源模塊，警鈴，及相應的擴展模塊構成。工作流程如下：當數碼鑰匙插入鎖孔后，系統上電，電子彈子彈出，控制器通RF方式讀取鑰匙芯片里的數碼組，然后將此數碼組與存儲器模塊里存儲的數碼組進(jìn)行比較，若存在相同的碼組，則電子彈子收回，允許機械鑰匙進(jìn)行正常的開(kāi)門(mén)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，從而禁止開(kāi)門(mén)，且通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊向電話(huà)報警模塊發(fā)送報警信號，電話(huà)報警模塊可以向用戶(hù)或管理監測中心立即發(fā)送報警信息。

圖1總體框圖

硬件電路

　　數據控制與傳輸

　　數據的傳輸和控制通過(guò)數碼鑰匙和鎖芯接插件來(lái)完成。

　　數碼鑰匙是由傳統的機械鑰匙改造而成，在保留機械鑰匙外形及全部牙花的基礎上，內置了一個(gè)具有64位二進(jìn)制編碼的RF芯片。本系統采用EM4100芯片，這是一種CMOS集成電路，內置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(xiàn)圈獲取能量和控制時(shí)鐘，然后通過(guò)調制電流開(kāi)關(guān)，將預先存儲在內存陣列中的64位信息碼發(fā)送出去。EM4100采用曼徹斯特編碼方式，

圖2 EM4100 芯片數據格式

　　數據結構如圖2所示，以連續9位“1”作為數據頭，是讀取數據時(shí)的同步標識；D00～D93位是用戶(hù)定義數據位；P0～P9是行奇偶校驗位，PC0～PC3是列奇偶校驗位，最后以“0”作為結束標志，這種數據結構有效的保證了數據傳輸的正確性。

　　在保留了傳統機械鎖芯結構形式及全部功能的基礎上，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，當鑰匙芯片信息正確的情況下，電子彈子收回，允許正常的開(kāi)門(mén)操作，否則，電子彈子彈出，卡住鎖芯，禁止鎖芯旋轉，從而禁止開(kāi)門(mén)。電接插件主要由線(xiàn)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(xiàn)圈向外輻射電磁波來(lái)讀取芯片EM4100中的數據，然后再將數據解調，并將解調后的數據輸出給單片機。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(wú)線(xiàn)發(fā)射電路和Microchip公司的單片機PIC16F72等組成(見(jiàn)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(kāi)的，電路板不能工作。當鑰匙插入鎖芯后，機械上會(huì )使這兩塊地連通，連通后電路板就上電工作，而當鑰匙拔出后，兩塊地又斷開(kāi)，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GND和DZ導通，但這條通路必須在電路板已經(jīng)工作后才能建立，建立后如果機械上的通路斷了，電路板仍然可以工作，直至完成未完的報警工作，再通過(guò)將GNDT置“0”，斷開(kāi)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)監測電池電壓，當檢測到電池電壓過(guò)低時(shí)，通過(guò)指示燈和蜂鳴器有規律的鳴叫提醒用戶(hù)及時(shí)地更換電池，保證防盜鎖正常工作。

　　當防盜鎖控制電路檢測到非法鑰匙開(kāi)門(mén)時(shí)，除了通過(guò)電子彈子阻止開(kāi)鎖、警鈴嚇阻提示外，還將報警信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路傳給電話(huà)報警模塊進(jìn)行撥打電話(huà)報警。無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路的工作頻率為433MHz，采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度極高，當環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時(shí)，頻飄僅為3ppm/度。發(fā)射電路未設編碼集成電路，這種結構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)，直接將它們的數據輸出端接至發(fā)射電路的輸入端即可。此外此電路采用FM方式調制，以降低功耗，當數據信號停止時(shí)發(fā)射電流降為零。

　　因為整個(gè)系統通過(guò)電池供電，系統功耗高低決定了系統的使用前景。在芯片的采用上，選擇低功耗芯片，如PIC16F72(單片機)，78L05(低功耗穩壓芯片)等；在電路的設計中，保證系統能夠正常工作的情況下，合理的增大了限流電阻，有效地減小了系統工作電流；整個(gè)系統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定的125KHz。當不需要EM4095工作的時(shí)刻，將EM4095置為休眠狀態(tài)，電流限制在1mA以下。系統提供了9V，900mAH的電池供電，根據實(shí)際測量和理論估計，假設每次開(kāi)門(mén)過(guò)程持續1分鐘時(shí)間，每天開(kāi)門(mén)10次，那么一塊電池至少可以使用1年時(shí)間。

　　電路中設計了專(zhuān)門(mén)的鑰匙設置電路來(lái)方便用戶(hù)管理鑰匙。當設置鍵按下后，系統進(jìn)入鑰匙設置狀態(tài)，通過(guò)發(fā)光二極管不同的顯示方式和蜂鳴器有規律的鳴叫來(lái)提示用戶(hù)進(jìn)行相應的設置。通過(guò)鑰匙設置電路，用戶(hù)可以方便的增加和刪除鑰匙。

　　系統掉電以后，一些重要的信息需要保存，系統采用了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用于存儲合法的鑰匙序列號，地址0F0H到0F3H用于存儲標志數據，依次為：是否第一次設置標志，主鑰匙設置過(guò)標志，EEPROMN待寫(xiě)地址，以設置的合法鑰匙數。EEPROM地址0F8H，0F9H，0FAH用于存儲配對碼。

　　為了防止不同用戶(hù)之間報警信息的相互干擾，系統設計了對碼功能。當對碼設置鍵按下后，系統讀取存儲在EEPROM從地址0F8H開(kāi)始的3個(gè)字節對碼數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路將用戶(hù)設置的對碼信息發(fā)送給報警器完成對碼設置過(guò)程。對碼過(guò)程結束以后，電話(huà)報警器僅對對碼信息正確的報警信號進(jìn)行處理。

軟件設計

　　系統軟件的設計采用了模塊化設計的思想，方便了系統功能的實(shí)現以及后期功能的修改。

　　軟件的設計主要分為幾大模塊：主程序模塊，設置模塊，信息檢測模塊，對模塊和報警模塊。

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

　　設置模塊用來(lái)完成鑰匙信息的設置及保存功能。系統設計中存在“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需要具有開(kāi)門(mén)權限的用戶(hù)，僅具有開(kāi)門(mén)的基本權限。“母鑰匙”和“子鑰匙”的設計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(kāi)門(mén)功能取消掉，更好的保證了個(gè)人的財產(chǎn)安全。

　　信息檢測模塊通過(guò)控制硬件電路讀取鑰匙信息，以及完成鑰匙信息的校驗工作。在整個(gè)系統軟件的設計中，它輔助其他模塊完成相應的功能。

　　對碼模塊主要完成系統的對碼功能。對碼過(guò)程如下：讀取存儲在EEPROM中從0F8H開(kāi)始的3個(gè)字節的對碼標志字，按照對碼信息的格式，通過(guò)無(wú)線(xiàn)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)字節對碼信息+1位奇偶校驗位+信息尾。

　　報警模塊主要完成系統的報警功能。當確認為非法開(kāi)門(mén)時(shí)，報警模塊被調用，此時(shí)上電保持電路工作，發(fā)送報警信息給電話(huà)報警器和用戶(hù)，保護用戶(hù)的財產(chǎn)安全，并且控制蜂鳴器鳴叫，嚇阻非法入侵者，當報警信號發(fā)送完成以后，系統關(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(kāi)，整個(gè)電路將會(huì )斷開(kāi)，警鈴停止鳴叫，這樣，可以有效地降低系統功耗。而此時(shí)，可以認為不存在非法開(kāi)門(mén)威脅，所以，不會(huì )出現安全問(wèn)題。報警信息格式如下：信息頭+ 3個(gè)字節的對碼信息+1字節的報警信息+1位奇偶校驗位+信息尾。

測試結果

　　系統完成后，配合電話(huà)報警器進(jìn)行了實(shí)地測量。具體測試數據如下：

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

　　由于實(shí)驗條件所限，僅能夠進(jìn)行上述測試，測試結果表明，系統滿(mǎn)足設計需求。

結語(yǔ)

　　機械數碼一體化防盜鎖是一種將傳統工藝與現代技術(shù)相結合的新型防盜鎖具，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展性，可以很好的與其它的產(chǎn)品(電話(huà)報警器，紅外報警器等)配套使用。

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