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

摘要：本文介紹了基于PIC單片機(jī)、RF技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖的設(shè)計(jì)。機(jī)械數(shù)碼一體化防盜鎖在傳統(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(kāi)啟，并且增加了防盜報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)械數(shù)碼一體化；PIC單片機(jī)；RFID；防盜鎖

　　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?jiàn)的兩種鎖具。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(méi)有鑰匙，專業(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(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、RFID卡、指紋、虹膜紋或其他感應(yīng)方式開(kāi)啟。數(shù)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(xiàn)非法開(kāi)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(kāi)”狀態(tài)，主動(dòng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(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(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_(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(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(kāi)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(kāi)門時(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(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(kāi)門過(guò)程持續(xù)1分鐘時(shí)間，每天開(kāi)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(kāi)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(kāi)門權(quán)限的用戶，僅具有開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)，整個(gè)電路將會(huì)斷開(kāi)，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(kāi)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)：

　　1. 馬向國(guó)、劉同娟, 基于PIC單片機(jī)的無(wú)線射頻遙控窗簾器，電子產(chǎn)品世界，2005，09：94-94，98，110
　　2. 胡啟民、呂庭，單片機(jī)系統(tǒng)中復(fù)位電路可靠性設(shè)計(jì)，電子測(cè)量技術(shù)，2001，3
　　3. 周高懷、戴瑜興、閻博文，智能無(wú)線防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004，25(7)：73-76