RF技術設計的機械數碼一體化防盜鎖

機械數碼一體化防盜鎖在傳統鎖具的基礎上增加了一個受控的彈子，只能通過設置過的合法鑰匙開啟，并且增加了防盜報警功能。本文介紹了基于PIC單片機、RF技術和無線數據傳輸技術的機械數碼一體化防盜鎖的設計。

引言

　　機械鎖和數碼鎖是我們日常生活中最常見的兩種鎖具。經過長期的發展，機械鎖在技術上已經非常成熟，而且種類繁多。機械鎖的主要特點是簡單、可靠、價格較低，但機械鎖的鎖芯結構一般是固定的，即使沒有鑰匙，專業人員通過技術手段都能很快打開，因此防盜性能相對較差。數碼鎖是近幾年發展起來的一種新型鎖具，它可以通過鍵盤、IC卡、RFID卡、指紋、虹膜紋或其他感應方式開啟。數碼鎖的特點是使用方便，其開鎖密碼可以隨時更改，易于實現非法開門的現場和遠程報警。但是出于消防考慮，斷電后，所有電子數碼鎖均應處于“常開”狀態，主動開門，失去防盜性，對于電源的過度依賴限制了數碼鎖的使用范圍。

　　綜合考慮上述兩種鎖具的特點，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，增加一個可以控制鎖芯旋轉的電子彈子，該電子彈子受專門的結構形式保護，并受控于鑰匙的數碼信息，只能通過已經被確認的合法鑰匙來操作。當斷定鑰匙是非法的情況下，在保證門鎖不能開啟的同時，可通過警鈴鳴叫和遠程報警系統將“企圖非法入侵”的信息及時報告給用戶或管理中心監測系統，更好地保護用戶的財產安全。

?　 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，無線通信模塊，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，允許機械鑰匙進行正常的開門過程，否則，電子彈子保持彈出狀態，卡住鎖芯，禁止鎖芯的旋轉，從而禁止開門，且通過無線通信模塊向電話報警模塊發送報警信號，電話報警模塊可以向用戶或管理監測中心立即發送報警信息。

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數碼鑰匙和鎖芯接插件來完成。

　　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，內置了一個具有64位二進制編碼的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。它通過放置在電磁場中的附加線圈獲取能量和控制時鐘，然后通過調制電流開關，將預先存儲在內存陣列中的64位信息碼發送出去。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，是讀取數據時的同步標識；D00～D93位是用戶定義數據位；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，對鎖芯進行了改進，增加了一個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，允許正常的開門操作，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，經由線圈向外輻射電磁波來讀取芯片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，無線發射電路和Microchip公司的單片機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。當鑰匙插入鎖芯后，機械上會使這兩塊地連通，連通后電路板就上電工作，而當鑰匙拔出后，兩塊地又斷開，電路板停止工作。電路板上電電路實際就是為兩塊地的連通提供了一條通路，通過將GNDT置“1”，即可實現GND和DZ導通，但這條通路必須在電路板已經工作后才能建立，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，再通過將GNDT置“0”，斷開這條通路。

　　整個電路采用電池供電。電壓檢測電路實時監測電池電壓，當檢測到電池電壓過低時，通過指示燈和蜂鳴器有規律的鳴叫提醒用戶及時地更換電池，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門時，除了通過電子彈子阻止開鎖、警鈴嚇阻提示外，還將報警信息通過無線發射電路傳給電話報警模塊進行撥打電話報警。無線發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，當環境溫度在－25～＋85度之間變化時，頻飄僅為3ppm/度。發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，直接將它們的數據輸出端接至發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，當數據信號停止時發射電流降為零。

　　因為整個系統通過電池供電，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；整個系統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定的125KHz。當不需要EM4095工作的時刻，將EM4095置為休眠狀態，電流限制在1mA以下。系統提供了9V，900mAH的電池供電，根據實際測量和理論估計，假設每次開門過程持續1分鐘時間，每天開門10次，那么一塊電池至少可以使用1年時間。

　　電路中設計了專門的鑰匙設置電路來方便用戶管理鑰匙。當設置鍵按下后，系統進入鑰匙設置狀態，通過發光二極管不同的顯示方式和蜂鳴器有規律的鳴叫來提示用戶進行相應的設置。通過鑰匙設置電路，用戶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來保存。電路中使用的EEPROM芯片為AT24C02，它遵循I2C協議。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，主鑰匙設置過標志，EEPROMN待寫地址，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開始的3個字節對碼數據，通過無線發射電路將用戶設置的對碼信息發送給報警器完成對碼設置過程。對碼過程結束以后，電話報警器僅對對碼信息正確的報警信號進行處理。

??????? 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。

　　主程序模塊用來完成系統的初始化，通過協調各個子模塊之間的工作，附加一些輔助功能，實現整個系統的功能。

　　設置模塊用來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門權限的用戶，僅具有開門的基本權限。“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，可以及時地將丟失的鑰匙的開門功能取消掉，更好的保證了個人的財產安全。

　　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工作。在整個系統軟件的設計中，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。對碼過程如下：讀取存儲在EEPROM中從0F8H開始的3個字節的對碼標志字，按照對碼信息的格式，通過無線發射電路將對碼信息發送出去。對碼信息格式如下：信息頭+3個字節對碼信息+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。當確認為非法開門時，報警模塊被調用，此時上電保持電路工作，發送報警信息給電話報警器和用戶，保護用戶的財產安全，并且控制蜂鳴器鳴叫，嚇阻非法入侵者，當報警信號發送完成以后，系統關閉上電保持電路，如果此時拔出鑰匙，電池地和電路板地之間的連接將會斷開，整個電路將會斷開，警鈴停止鳴叫，這樣，可以有效地降低系統功耗。而此時，可以認為不存在非法開門威脅，所以，不會出現安全問題。報警信息格式如下：信息頭+ 3個字節的對碼信息+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，配合電話報警器進行了實地測量。具體測試數據如下：

　　靜態工作電流：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：

　　由于實驗條件所限，僅能夠進行上述測試，測試結果表明，系統滿足設計需求。

??????? 結語

　　機械數碼一體化防盜鎖是一種將傳統工藝與現代技術相結合的新型防盜鎖具，它具有使用方便，安全，可靠等特點，而且具有很好的功能擴展性，可以很好的與其它的產品(電話報警器，紅外報警器等)配套使用。

?????? 參考文獻：

　　1. 馬向國、劉同娟, 基于PIC單片機的無線射頻遙控窗簾器，電子產品世界，2005，09：94-94，98，110
　　2. 胡啟民、呂庭，單片機系統中復位電路可靠性設計，電子測量技術，2001，3
　　3. 周高懷、戴瑜興、閻博文，智能無線防盜系統的設計，單片機與嵌入式系統應用，2004，25(7)：73-76