姜源　珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院　廣東珠海　519090陳君　珠海唯碼科技有限公司　廣東珠?！?19000

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基于MA82G5B32的智能防盜鎖體終端設(shè)計(jì)

姜源珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東珠海519090
陳君珠海唯碼科技有限公司廣東珠海519000

項(xiàng)目來源：珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題“基于物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)智能防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，項(xiàng)目編號(hào)020130310

【文章摘要】

為了解決鎖具應(yīng)用中通常存在的機(jī)械鎖鑰匙丟失、電子鎖斷電、智能安防接入等問題，本文設(shè)計(jì)了一套將電子系統(tǒng)嵌入到傳統(tǒng)機(jī)械鎖芯的智能防盜鎖體終端。該終端采用MA82G5B32作為主控芯片，可通過RF射頻技術(shù)與中繼器相連，接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與用戶、智能社區(qū)的信息交互或遠(yuǎn)程控制，契合當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的遠(yuǎn)程托管需求。

【關(guān)鍵詞】

電子鎖，MA82G5B32，電子標(biāo)簽，RFID，智能安防

0　引言

鎖具是室內(nèi)安防的重要部件，隨著科技的發(fā)展和人們安防意識(shí)的提高，電子鎖走上市場(chǎng)并發(fā)展迅猛，各種非接觸卡（IC卡、REID卡等）、鍵盤（密碼）、指紋、人臉識(shí)別等感應(yīng)方式操控的鎖具層出不窮;但據(jù)考察，市場(chǎng)所見的電子鎖具，大多只是在機(jī)械鎖芯的基礎(chǔ)上，加裝一套電子系統(tǒng)與機(jī)械手臂的組合控制器，本質(zhì)上并未改變或提高機(jī)械鎖芯的安全性能，仍有其問題和不足。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套將電子系統(tǒng)“嵌入”機(jī)械鎖芯、機(jī)械鑰匙的電子鎖，在傳統(tǒng)機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上，構(gòu)建“機(jī)械牙花識(shí)別”、“電子標(biāo)簽識(shí)別”雙重識(shí)別系統(tǒng)，不僅提高了鎖匙的安全水平，更解決了鑰匙丟失、非法開啟等各種隱患，在需要時(shí)，還可通過鎖體內(nèi)嵌通信模塊借助專用中繼器接入互聯(lián)網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與社區(qū)、物業(yè)管理中心或用戶的通信，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防功能。

1　總體設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)思想

當(dāng)前市場(chǎng)上的電子鎖依然有其缺陷，并未提升鎖具自身的安全性能。一方面，機(jī)械鎖體部分的安全性沒有得到本質(zhì)提升，另一方面，一旦鑰匙丟失、被復(fù)制，門鎖安全都會(huì)立即面臨威脅。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，智能家居安防、智能社區(qū)廣泛興起，對(duì)于電子鎖終端納入“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)”的需求也日益凸顯。本智能防盜鎖體終端的設(shè)計(jì)，即是從上述需求出發(fā)，嘗試將電子識(shí)別、無線通信等技術(shù)深入融合到機(jī)械鎖體和機(jī)械鑰匙，解決當(dāng)前電子鎖及智能防盜系統(tǒng)中依然存在的問題和瓶頸。

基于上述分析，智能防盜鎖體終端設(shè)計(jì)中需要著重解決的問題如下：

（1）帶“身份證”的鑰匙。將電子標(biāo)簽嵌入傳統(tǒng)機(jī)械鑰匙，成為“數(shù)碼鑰匙”，該電子標(biāo)簽具有全球唯一的身份識(shí)別碼，使用前啟動(dòng)鎖體終端的注冊(cè)功能，讀入并存儲(chǔ)鑰匙的身份識(shí)別碼，該鑰匙則被確認(rèn)為“合法鑰匙”。使用時(shí)，機(jī)械牙花和電子標(biāo)簽內(nèi)的識(shí)別碼成為電子鎖終端開啟的雙重識(shí)別信息。

（2）鑰匙注冊(cè)功能。智能防盜鎖體終端配備專用母鑰匙，插入母鑰匙啟動(dòng)鎖體的注冊(cè)功能，一旦合法鑰匙丟失，可立即予以注銷，并重新注冊(cè)新鑰匙，被注銷鑰匙將成為非法鑰匙，不再能夠開啟鎖體。通過該功能，將可解決鑰匙丟失的后顧之憂。

（3）合法鑰匙開啟。數(shù)碼鑰匙插入鎖體后，鑰匙電路與鎖體電路聯(lián)通，系統(tǒng)啟動(dòng)。系統(tǒng)讀入數(shù)碼鑰匙內(nèi)嵌的電子標(biāo)簽，并進(jìn)行合法性鑒定，若合法，則鎖體撤防，此時(shí)若機(jī)械牙花完全咬合，則可旋轉(zhuǎn)鎖芯開啟門鎖;如果認(rèn)定非法，則鎖體布防，鎖芯無法旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警程序，并啟動(dòng)無線通信，通報(bào)后臺(tái)管理系統(tǒng)。

（4）開門記錄功能。智能防盜鎖體終端通過通信模塊與后臺(tái)管理系統(tǒng)相連，可常態(tài)或特定地對(duì)不同鑰匙、不同時(shí)間的開啟情況進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)開門情況的可追溯、可統(tǒng)計(jì)和可分析。

（5）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下遠(yuǎn)程托管需求。在特定需求下，后臺(tái)管理系統(tǒng)可根據(jù)戶主的特定識(shí)別碼，向終端賦予限定時(shí)間、限定身份標(biāo)簽等開啟權(quán)限，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的遠(yuǎn)程托管等功能。

（6）節(jié)能性設(shè)計(jì)。市面上常見的電子鎖大多依賴外接電源，本系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)思路，采用電池供電，并設(shè)定無鑰匙斷電、報(bào)警后斷電、鑰匙常插報(bào)警等一系列節(jié)能設(shè)計(jì)，確保在不具備外接電源條件下，門鎖電池的持久耐用。

1.2框架結(jié)構(gòu)

基于前文的總體設(shè)計(jì)思想，本智能防盜鎖體終端由智能鎖體、數(shù)碼鑰匙、以及通信模塊等幾部分組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖中，鎖體終端的微處理器部分采用51內(nèi)核的單片機(jī)。微處理器通過鎖芯接口與改裝后的機(jī)械鎖芯和數(shù)碼鑰匙連接，鑰匙插入鎖芯或者旋轉(zhuǎn)鎖芯都能使微處理器系統(tǒng)上電（圖中硬件上電模塊），微處理器通過接口觸點(diǎn)，讀取數(shù)碼鑰匙內(nèi)電子標(biāo)簽的身份碼，并根據(jù)認(rèn)證結(jié)果，控制彈子驅(qū)動(dòng)電路設(shè)防或撤防。

軟件上電模塊電路用于工作期間維持系統(tǒng)上電狀態(tài)，并限時(shí)斷電，保證系統(tǒng)節(jié)能。

EEPROM模塊用于存儲(chǔ)鎖體終端的本機(jī)物理地址、母鑰匙身份碼、合法鑰匙身份碼等信息。一鍵清除電路用于快速清除EEPROM中所有的鑰匙信息。

無線通信模塊選擇現(xiàn)成的REID模塊，用于與聯(lián)網(wǎng)中繼器之間的通信，從而方便組建或接入智能安防、智能社區(qū)系統(tǒng)。

電池電壓檢測(cè)主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，出現(xiàn)欠壓時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警。聲光報(bào)警電路同時(shí)還負(fù)責(zé)非法開門時(shí)的報(bào)警和正常操作下的提示信息輸出。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1鎖芯接口與數(shù)碼鑰匙設(shè)計(jì)

如圖2所示，有鑰匙插入鎖芯時(shí)，K1聯(lián)通，系統(tǒng)上電，單片機(jī)工作，完成智能電子鎖的功能;鑰匙拔出鎖芯，系統(tǒng)限時(shí)掉電。當(dāng)鎖膽發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，K2閉合，兩地連接;系統(tǒng)工作期間，為防止K1、K2機(jī)械觸點(diǎn)不穩(wěn)定，通過微控制器輸出上電信號(hào)Power_Out并通過上電電路，保持兩地連接。

圖2　系統(tǒng)節(jié)電設(shè)計(jì)思路原理圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，需對(duì)機(jī)械鎖芯和鑰匙作相應(yīng)的改裝，進(jìn)而設(shè)計(jì)鎖芯與電路的接口。數(shù)碼鑰匙中內(nèi)嵌單總線電子標(biāo)簽DS2401，僅需一位信號(hào)接口，提供全球唯一的64bit識(shí)別碼。DS2401的連接電路如圖3所示，鑰匙內(nèi)引出信號(hào)線Read_Dat，通過鎖芯內(nèi)的觸點(diǎn)連入電路。電子鎖鎖閉裝置采用螺線管及彈子實(shí)現(xiàn)，原理如圖4所示，Q5導(dǎo)通時(shí)，置于鎖芯內(nèi)的螺線管通電上磁，將永久磁鐵制成的反向極性的管芯頂起，制動(dòng)鎖芯設(shè)防。

圖3　DS2401連接電路

圖4　鎖閉電路

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，鎖芯與電路的接口設(shè)置5個(gè)信號(hào)，分別是：電源+3.3V、單總線Read_ Out、螺線管MAG、電池地GND_BAT、信號(hào)地GND。

2.2鎖體電路設(shè)計(jì)

主控微處理器選用臺(tái)灣笙泉科技的MA82G5B32，這是一款低功耗、高速Flash單片機(jī)，內(nèi)部集成了32K的flash程序存儲(chǔ)空間，可靈活配置成IAP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，除此之外還配備有內(nèi)置高精準(zhǔn)度 RC 振蕩器，具備大量的周邊（ ADC / UART / TWSI / SPI / ...）及復(fù)用型 I/O，這些功能部件極大地簡(jiǎn)化了外電路的設(shè)計(jì)，為電路集成到狹小的鎖體空間內(nèi)提供了可能。此外，MA82G5B32還具有全球唯一的128bit物理ID，方便鎖體作為終端組建或接入智能安防網(wǎng)絡(luò)。

（1）電源及低電檢測(cè)模塊

鎖體采用3節(jié)干電池供電，而MA82G5B32屬于低功耗機(jī)僅需3.3V電壓，選擇HT7333低壓降穩(wěn)壓芯片完成電壓變換。同時(shí)為防止低電狀態(tài)下系統(tǒng)工作不正常，還需進(jìn)行實(shí)時(shí)的低電檢測(cè)，此功能借助單片機(jī)內(nèi)集成的ADC模塊完成，相關(guān)電路如圖5所示。

圖5　電源及低電檢測(cè)模塊

（2）上電模塊

在電路系統(tǒng)正常工作過程中，由鑰匙與鎖芯間的觸點(diǎn)提供電池地與信號(hào)地的連接，從而保證系統(tǒng)的供電。但機(jī)械觸點(diǎn)間的連接通常不穩(wěn)定，為此，電路設(shè)計(jì)上電模塊，如圖6所示。

圖6　上電電路

在鑰匙插入鎖孔啟動(dòng)系統(tǒng)的第一時(shí)間，由單片機(jī)輸出Power_Out=1，Q3、Q2、Q4導(dǎo)通，信號(hào)地與電池地連通，保證系統(tǒng)工作期間兩地的穩(wěn)定連接。在鑰匙拔出后，系統(tǒng)根據(jù)需要，通過Power_Out控制短暫上電或斷電。

（3）無線通信模塊

為了滿足遠(yuǎn)程報(bào)警需求以及智能安防或智能社區(qū)系統(tǒng)的組建，鎖體電路中需要設(shè)計(jì)無線通信模塊。選擇基于射頻集成芯片SX1208的射頻模塊LSD4RF-2S313N10，這是一款高性能的物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的短距離物聯(lián)網(wǎng)無線通信領(lǐng)域，體積小、功耗低，抗干擾能力強(qiáng)。該模塊采用SPI通信接口，使用時(shí)直接與單片機(jī)MA82G5B32的SPI引腳連接，編程方便，硬件連接如圖7所示。

圖7　無線通信電路

（4）其他電路

其他電路包括聲光報(bào)警電路、地址設(shè)置電路等。這部分電路選擇單片機(jī)的普通IO口，連接撥碼開關(guān)、LED、蜂鳴器等即可，在此不再贅述。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體工作流程

圖8　系統(tǒng)關(guān)系圖

圖9　主程序流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在母鑰匙、單權(quán)限鑰匙、雙權(quán)限鑰匙、特征鑰匙的概念：?jiǎn)螜?quán)限鑰匙和特征鑰匙注冊(cè)成功后即可開門，不同的是特征鑰匙開門時(shí)系統(tǒng)將其開門信息發(fā)送至聯(lián)網(wǎng)中繼通知用戶，開門信息可追溯;雙權(quán)限鑰匙經(jīng)注冊(cè)后，開門時(shí)需得到用戶的二次授權(quán)，并在授權(quán)后限定時(shí)間內(nèi)才能開門;母鑰匙用于啟動(dòng)注冊(cè)合法鑰匙功能，上述三類鑰匙均在注冊(cè)過程予以區(qū)分。

數(shù)碼鑰匙、鎖體終端、聯(lián)網(wǎng)中繼、用戶四者之間的關(guān)系如圖8所示。為了防止不同鎖體終端之間報(bào)警信息的干擾，系統(tǒng)工作前設(shè)計(jì)有對(duì)碼功能，當(dāng)鎖體電路中的對(duì)碼設(shè)置按鍵按下，鎖體終端通過主控芯片MA82G5B32中全球唯一的128bit物理ID與聯(lián)網(wǎng)中繼器的主控芯片的物理ID，完成對(duì)碼。

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為如下模塊：一鍵擦除模塊，對(duì)碼模塊，鑰匙注冊(cè)模塊，單權(quán)限鑰匙開門模塊，雙權(quán)限鑰匙開門模塊，非法鑰匙報(bào)警模塊。

3.2部分程序流程

主程序流程如圖9所示，鑰匙注冊(cè)模塊是重點(diǎn)代碼，子程序Register_ID（）流程如圖10所示，單權(quán)限、雙權(quán)限和特征鑰匙三種不同類型的鑰匙，在注冊(cè)過程中，通過控制插入鎖孔的時(shí)間來區(qū)分。

圖10　注冊(cè)子程序流程

4　測(cè)試

系統(tǒng)完成后，將鎖體終端配合中繼器進(jìn)行了檢測(cè)，設(shè)計(jì)功能均能實(shí)現(xiàn)，性能測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

系統(tǒng)靜態(tài)工作電流≤25uA，工作狀態(tài)下（含讀卡期間、報(bào)警期間、通信期間）的工作電流≤200mA。系統(tǒng)采用3節(jié)干電池供電，容量為1000mA，配合專門研發(fā)的開鎖測(cè)試儀，合法鑰匙可開鎖1.5萬次左右，當(dāng)電池電壓降至3.6V時(shí)，欠壓報(bào)警，仍然可開鎖50次以上。假設(shè)每天開門10次，每次持續(xù)1分鐘，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算，正常情況下可使用1年以上;

鎖體終端與中繼器之間的無線通信距離≥50M（建筑物內(nèi)）;

開鎖測(cè)試儀上傳至電腦的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，測(cè)試次數(shù)10000次，成功9998次，失敗2次，成功率為99.98%，滿足測(cè)試要求。

5　小結(jié)

本文所述的智能防盜鎖體終端，將電子控制系統(tǒng)嵌入傳統(tǒng)機(jī)械鎖芯，巧妙地實(shí)現(xiàn)了更高的防護(hù)性能，解決了鑰匙丟失、鎖體斷電等傳統(tǒng)和常見電子鎖類存在的問題。同時(shí)，終端設(shè)計(jì)了RF通信模塊，可借助物聯(lián)中繼器組建智能安防網(wǎng)絡(luò)并接入互聯(lián)網(wǎng)、GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與社區(qū)、物業(yè)管理中心或用戶的通信，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防功能。該功能契合“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的遠(yuǎn)程托管需求，將有廣泛應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱玉璟,李大,孫文杰,王晶.鎖具之電子鎖技術(shù)綜述[J].科技致富向?qū)?2014,21: 287-288

[2]姜源,孟誠(chéng).數(shù)碼防盜鎖芯[Z].2013,專利號(hào):ZL201220714068.2

[3]datasheet. MA82G5Bxx_Datasheet_ v1.03[Z]

【作者簡(jiǎn)介】

姜源，女，1982年出生，江蘇南通人，碩士研究生，講師，主要研究方向單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)控制，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

陳君，男，1990年出生，廣東湛江人，?？?，主要研究方向單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)控制。