張 云，周明輝， 周海林，李愛華， 孟 瑋

（1.軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003；2.河北省石油化工建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 河北 石家莊 050003）

當(dāng)前雖然許多智能鎖（如指紋辨別、IC卡識別）已相繼問世，但這類產(chǎn)品是針對特定指紋或有效卡，只能適用于保密要求高且僅供個別人使用的箱、柜、房間等。另外，卡片式的IC卡易丟失和損壞，加上其成本較高，在一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。

電子密碼鎖具有安全性能高、成本低、功耗低、操作簡單等優(yōu)點使其作為防盜衛(wèi)士的角色越來越重要?，F(xiàn)有國內(nèi)市場上的電子密碼鎖有的是通過購買一些產(chǎn)品模塊再開發(fā)，不具備自主知識產(chǎn)權(quán)；有的是自主研發(fā)的，但其功耗與成本都比較高，不具備廣泛的應(yīng)用價值[1-3]。為了克服這些缺點，從經(jīng)濟(jì)實用角度出發(fā)，采用單片機(jī)AT89S51與低功耗CMOS型E2PROM AT24C02作為主控器件與數(shù)據(jù)存儲器單元，設(shè)計一款可更改密碼，具有報警、實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理功能的電子密碼鎖。該電子密碼鎖體積小，易于開發(fā)、成本較低，安全性高，能將其存儲的現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)及時上報給上位機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控，方便管理人員及時分析和處理數(shù)據(jù)。

1 電子密碼鎖的硬件設(shè)計

電子密碼鎖的硬件由核心處理模塊、電源管理模塊，執(zhí)行模塊和通信模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子密碼鎖結(jié)構(gòu)圖

1.1 核心處理模塊

核心處理模塊是電子密碼鎖工作的核心，它不僅要對密碼鎖的信息進(jìn)行處理，還要負(fù)責(zé)調(diào)度各種程序穩(wěn)定的運(yùn)行并控制其他模塊，其模塊主要由單片機(jī)，鍵盤，存儲器，顯示電路組成。其中，單片機(jī)是核心處理模塊的核心部分，其主要任務(wù)是配合軟件來完成信息處理和記錄、控制調(diào)度其他部分正常工作、電器的控制、密碼校對和修改等工作。從電子密碼鎖功能的需要、性價比、程序的數(shù)據(jù)量和接口電路等多方面綜合考慮，本文選用ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)作為控制器的核心。鍵盤電路的設(shè)計采用4×4行列鍵盤的形式，直接由AT89S51的P1口的高、低字節(jié)構(gòu)成。

電路中選用AT24C02作為密碼和開鎖信息的存儲器，該存儲器是一款具有I2C總線接口的串行EEPROM，由于AT89S51單片機(jī)沒有I2C總線接口，在電路上選用單片機(jī)的P2.2、P2.3分別與AT24C02的SCL和SDA線相連，軟件上實現(xiàn)模擬I2C總線接口。在該存儲器中還保存著用戶修改后的一級、二級權(quán)限密碼和最近20次開鎖的具體時間，以及非法偷、套密碼的提示信息，用戶通過按鍵可方便的實現(xiàn)查閱。存儲器與單片機(jī)的連接如圖2所示。鑒于該系統(tǒng)在功能上要求實現(xiàn)密碼輸入提示、開鎖信息的查閱、時間顯示等信息，并從低成本出發(fā)，故選用SMC1602A液晶顯示模塊作為顯示電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 密碼存儲器電路

圖3 SMC1602與單片機(jī)連接

1.2 電源管理模塊

該設(shè)計需要使用+5 V直流電源為整個電路供電。電路中采用一個穩(wěn)壓器將輸入的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成+5 V的電壓。另外，如果僅僅依靠外接直流電源供電會出現(xiàn)因停電而無法開鎖的問題，為了解決這個問題，在設(shè)計電源管理模塊時加入了自動切換電路的方案，使電池組供電和外接直流電源供電這兩種方式能夠根據(jù)實際需要迅速自動切換，從而保證電子密碼鎖可以長時間不間斷工作。電源自動切換電路選用LTC4414器件。通過LTC4414對2個P溝道絕緣柵場效應(yīng)管控制，實現(xiàn)2個電源高效“或”操作的自動切換電路。

1.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行電路通過單片機(jī)其中1個引腳線發(fā)出信號，經(jīng)三極管放大后，由繼電器驅(qū)動電磁閥動作將鎖打開的方案，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。另外，報警電路采用時基集成電路555及其輔助元件構(gòu)成，在聯(lián)網(wǎng)的情況下，報警信號可通過串口擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)發(fā)給主控制器，提醒管理人員注意。

圖4 密碼鎖執(zhí)行電路

1.4 通信模塊

在通信電路設(shè)計中，采用MAX489進(jìn)行全雙工通信，MAX489的引腳R0為接收器輸出，接TTL電平RXD信號；引腳DI為發(fā)送器輸入，接TTL電平TXD信號；引腳-VT、引腳+VT為發(fā)送器輸出，接發(fā)送傳輸線；引腳-VT，引腳+VT為接收器輸入，接收傳輸線；引腳DE為發(fā)送使能端，接+5 V；引腳RE是接收使能端，接地，通信電路如圖5所示。

圖5 通信電路

2 電子密碼鎖的軟件設(shè)計

電子密碼鎖的軟件設(shè)計是整個電子密碼鎖可靠安全運(yùn)行的關(guān)鍵，為了提高電子密碼鎖的安全性能，該設(shè)計引入安全體系概念，即在設(shè)計時建立一般的指導(dǎo)原則和約束條件，為電子密碼鎖提供了安全服務(wù)和安全機(jī)制，使其軟件程序構(gòu)成一個完整的安全體系結(jié)構(gòu)[4-6]。安全體系主要是由4種安全服務(wù)和4種安全機(jī)制構(gòu)成，其中安全服務(wù)包括：鑒別、訪問控制、信息機(jī)密性、信息完整性；安全機(jī)制包括：鑒別交互機(jī)制、訪問控制機(jī)制、加密、信息完整性。安全體系主要是通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)的。密碼鎖軟件總體分為兩部分：1）控制程序，其中包括主程序、延時子程序、時間設(shè)置子程序、修改密碼子程序、掃描鍵盤輸入子程序、報警子程序；2）網(wǎng)絡(luò)管理程序，其中包括開鎖信息查詢子程序、串行通信程序。軟件設(shè)計中，引入了二層權(quán)限加密的技術(shù)，對輸入的8位十進(jìn)制基礎(chǔ)密碼進(jìn)行判別，如果輸入密碼正確，則可以直接開鎖。如果不正確，并且3次以上輸入不正確，則封鎖輸入口并報警利用互聯(lián)網(wǎng)通知管理人員，存儲報警信息。如果要修改密碼，則需要在輸入基礎(chǔ)密碼判別正確后，輸入高級權(quán)限密碼，通過系統(tǒng)確認(rèn)后方可修改密碼。電子密碼鎖利用AT89S51單片機(jī)軟、硬件資源，從而使系統(tǒng)具有很高的可靠性和安全性。

該系統(tǒng)設(shè)計程序流程如圖6所示，圖7和圖8給出人機(jī)交互界面和電子密碼鎖實物。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計程序流程

圖7 人機(jī)交互界面

圖8 電子密碼鎖實物

3 結(jié)束語

該電子密碼鎖設(shè)計實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動報警和開關(guān)鎖等功能，并具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低等優(yōu)點，但是設(shè)計電子密碼鎖需要結(jié)合實際綜合考慮很多因素，因此該電子密碼鎖設(shè)計需要在實際中進(jìn)一步完善和改進(jìn)。另外，在系統(tǒng)應(yīng)用程序方面，該設(shè)計只實現(xiàn)了修改密碼、開關(guān)鎖、自動報警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，要想在現(xiàn)實生活中推廣，還必須針對實際應(yīng)用場合的需要，進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能的程序。

[1]石文軒，宋薇.基于單片機(jī)MCS-51的智能密碼鎖設(shè)計[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，10（2）：26-28.

[2]李建波.基于STC89C52單片機(jī)的電子密碼鎖[J].電子技術(shù)，2008，（23）：154-156.

[3]顧光旭.智能電子鎖設(shè)計[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，22（1）：49-52.

[4]孟菊，王金海，趙雷新，等.基于ARM和DSP的嵌入式智能儀器系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2006，22（6-2）：198-200.

[5]Harn L.New digital signature scheme based on discrete logarithm[J].Electronic Letters，1994，30（5）：396-398.

[6]WU Li-zhen，HAO Xiao-hong.Design of optimal controller for networked control system based on Ethernet[J].Control Engineering China，2004，11（5）：428-431.