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使用TEMIC感應(yīng)卡技術(shù)的智能電子門鎖系統(tǒng)
摘要：簡要介紹基于TEMIC感應(yīng)卡技術(shù)的電子門鎖系統(tǒng)，包括主要功能、工作模式、系統(tǒng)組成；重點介紹在提高系統(tǒng)安全性、可靠性，降低功耗方面采取的部分措施。該系統(tǒng)可與門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、消息系統(tǒng)及停車場系統(tǒng)等一起構(gòu)成“一卡通”系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：感應(yīng)卡技術(shù) 智能門鎖 一卡通
1 概述
早期的智能電子門鎖是采用磁卡作為開門鑰匙的磁卡鎖，主要用于賓館客房。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，功能更強、可靠性更高的接觸式IC卡智能電子門鎖成為主流。接觸式IC卡電子鎖的主要優(yōu)點是卡片存儲容量大，有比較完善的完全機制。采用智能電子門鎖，可靈活地設(shè)定多種開門權(quán)限，防止非法復(fù)制，實現(xiàn)分級管理和分區(qū)域管理。其時間控制功能和存儲開門記錄功能徹底改變了機械式門鎖功能單一狀況，使門鎖成為管理體系的一部分，大大提高管理水平和服務(wù)水平，因此逐漸成為星級賓館的基本設(shè)施之一。
進入21世紀，感應(yīng)式IC卡（也稱非接觸式IC卡）技術(shù)迅速發(fā)展，新一代的基于感應(yīng)式IC卡技術(shù)的智能電子門鎖也應(yīng)運而生。由于感應(yīng)式智能電子門鎖無機械接觸，不會產(chǎn)生摩擦，因此減少了磨損和人為損壞，大大降低了故障率。目前，感應(yīng)式電子鎖的應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴展，已從傳統(tǒng)的酒店業(yè)擴展到高級辦公場所、高級公寓，甚至進入了家庭。
本文重點討論適用于高級賓館的感應(yīng)式智能電子門鎖系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)組成及功能
感應(yīng)式智能電子門鎖系統(tǒng)通常由智能電子門鎖、感應(yīng)卡、發(fā)卡管理軟件、手持式POS機和發(fā)卡器等5個部分組成。下面介紹各部分的主要功能。
（1）智能電子門鎖
安裝于客戶門上。當有感應(yīng)卡接近鎖體上的天線時，鎖內(nèi)的微控制器（MCU）自動啟動讀卡程序。如果讀到的是有效卡，則驅(qū)動微電機，帶動離合機構(gòu)，此時按下手柄，鎖就被打開；如果讀到的是非有效卡，則發(fā)出無效卡提示，此時也能按下手柄，但鎖無法被打開。
智能電子門鎖的主要功能：
*分區(qū)管理功能——支持分區(qū)管理，服務(wù)卡僅在本服務(wù)區(qū)內(nèi)有效；
*分級管理功能——支持服務(wù)區(qū)、樓層、樓座、酒店四級管理；
*時效控制功能——無論賓客卡還是職員卡，都有時效限制，到其自動失效；
*時間表功能——可在每周7天中，指定有效日和無效日；
*時間窗功能——可在每天24小時中，規(guī)定有效時段和無效時段；
*新卡替舊卡功能——新發(fā)的卡可自動終止舊卡；
*終止/恢復(fù)功能——可使用終止卡使指定客房門鎖暫停使用，可使用恢復(fù)卡使暫停使用的客房門鎖恢復(fù)使用；
*開鎖記錄功能——刷卡時，門鎖將卡號和開門時間記錄在鎖中，供隨時查詢，最大記錄數(shù)為240條；
*低電壓提示功能——當電池電壓低于5.1V時，綠燈和黃燈同時亮起，提醒用戶換電池（低電壓提示后，仍能開鎖100次以上）；
*反鎖功能——開門卡可設(shè)定為允許開反鎖或不允許開反鎖；
*常開功能——辦公型鎖具有常開功能，酒店型無此功能。
（2）感應(yīng)卡
卡類型及功能如表1所列。
表1
（3）發(fā)卡管理軟件
發(fā)卡管理軟件的主要功能；
*系統(tǒng)管理——操作日志、密碼更改、操作員設(shè)定、系統(tǒng)暫停；
*功能管理——用戶信息、管理區(qū)域、房間設(shè)定；默認參數(shù)設(shè)置；
*通訊管理——門鎖數(shù)據(jù)通信、基本信息查/詢、開鎖記錄查詢；
*客房管理——制賓客卡、客人退卡、改有效期、空房查詢、入住情況、退卡查詢；
*員工管理——制員工卡、退員工卡、改員工卡、員工卡查詢、制處理卡。
（4）手持式POS機
手持式POS機用于發(fā)卡管理軟件和智能門鎖之間的信息溝通。發(fā)卡管理軟件通過RS232串口將酒店識別號、房間號、讀卡密碼等信息下載到POS機，再由POS機通過RS232串口將酒店識別號、房間號、讀卡密碼等信息下載到智能門鎖，同時可校對時間。同樣，存放在鎖內(nèi)的開鎖記錄，也由POS機上傳到發(fā)卡管理軟件進行統(tǒng)計分析。
（5）發(fā)卡器
實際上，發(fā)卡器是一臺TEMIC卡讀寫器，與發(fā)卡管理軟件配合使用，完成發(fā)卡、鎖卡、卡查詢等功能。
3 智能電子門鎖設(shè)計
智能電子門鎖是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。智能門鎖的主要設(shè)計目標是：設(shè)計合理的卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保在實現(xiàn)功能的前提下，支持系統(tǒng)功能擴展，即支持“一卡通”功能；系統(tǒng)靜態(tài)功耗更要足夠低；具有很高的可靠性和足夠的安全性。
（1）TEMIC感應(yīng)卡技術(shù)
德國TEMIC公司（現(xiàn)已被美國Atmel公司收購）研制開發(fā)了一系列非接觸IC卡產(chǎn)品，包括e5530、e5550、e5551、e5560、e5561應(yīng)答器芯片和U2270B讀寫基站芯片。應(yīng)答器通常封裝成卡片形式，也可以封裝成玻璃管中。
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下面簡單介紹應(yīng)答器e5550。e5550為帶264位EEPROM的TEMIC標準讀寫應(yīng)答器芯片，其存儲區(qū)分為8個區(qū)，每區(qū)33位。0位為該區(qū)鎖定位，一旦鎖上（置1），該區(qū)即被“寫保護"，阻止任何改寫。0區(qū)存放模式字，其讀寫操作取決于模式字的設(shè)置，如波特率、發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制方式、最大允許傳送數(shù)據(jù)區(qū)、口令和AOR功能及鎖定位的設(shè)置等。1～6區(qū)為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，可按區(qū)讀寫。7區(qū)在口令模式工作時為口令區(qū)，如果不需要口令保護，7區(qū)也可以與1～6區(qū)一樣用做用戶數(shù)據(jù)區(qū)。
讀寫基站芯片U2270B配以少量外圍器件和耦合天線，與MCU一樣構(gòu)成讀寫器。也可以說，U2270B讀寫基站芯片是MCU與應(yīng)答器之間的通信接口。應(yīng)答器進入RF磁場，經(jīng)線圈感應(yīng)得到電能并自動加電復(fù)位后，等待256個RF場時鐘周期后，開始按照模式字設(shè)定的比特率和調(diào)制方式，對存儲器相應(yīng)區(qū)數(shù)據(jù)重復(fù)讀取并發(fā)送�；拘酒瑢邮盏降男盘栠M行解調(diào)，并以曼徹斯特碼方式發(fā)送給MCU，曼徹斯特碼解碼工作由MCU程序完成。MCU通過對基站芯片的CFE進行控制，以短間隙射頻場中斷的辦法，將數(shù)據(jù)寫入應(yīng)答器。
（2）硬件設(shè)計
智能電子門鎖的原理如圖1所示。微控制器（MCU）采用美國Microchip公司的8位微控制器（PIC16F73）。紅外線檢測電路的作用是探測有無感應(yīng)卡靠近，每隔一定時間，發(fā)射電路會自動射紅外線信號，如有物體靠近，接收電路就會收到反射回來的紅外線信號，并立即通知MCU進行讀卡操作。感應(yīng)卡讀寫IC在MCU驅(qū)動下，對感應(yīng)卡進行讀操作，然后將讀到的數(shù)據(jù)曼徹斯特碼形式返回給MCU，由MCU通過程序解碼；將解碼后的卡上數(shù)據(jù)與存儲器中存放的鎖內(nèi)參數(shù)進行核驗，并依據(jù)當前時間，確定是否是有效卡；如果有效卡，則啟動電機驅(qū)動電路開鎖，同時將相關(guān)信息（開鎖記錄）存入存儲器。MCU通過RS232接口與手持式POS機進行通信，從POS機接收各種設(shè)置數(shù)據(jù)、校對時間等；在必要時可將鎖內(nèi)存放的開鎖記錄傳送給POS機，然后傳遞到電腦，進行統(tǒng)計分析。低電壓檢測 電路自動對電池電壓進行監(jiān)測，一旦電池電壓下降到規(guī)定值，立即通知MCU，由MCU啟動黃色低電壓提示LED，提醒客戶盡快地換電池。電源電路在控制功耗方面起著重要作用。它在MCU的控制下為包括MCU在內(nèi)各部分電路提供電源，并可以在不同狀態(tài)下，根據(jù)實際需要改變電壓值，從而使總體功耗保持最低，延長電池使用壽命。
（3）微控制器軟件設(shè)計
MCU控制軟件整個系統(tǒng)中最重要的環(huán)境。我們使用匯編語言編程，采用自頂向下（top-down）的程序設(shè)計方法，遵循結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的原則，使軟件效率和可維護性較高。
軟件主要分以下5個功能模塊：初始化與自檢模塊、解碼與讀卡模塊、數(shù)據(jù)校驗?zāi)K、通信模塊和串行存儲器讀寫模塊等。串行存儲器讀寫模塊的主要功能是，為其它模塊提供訪問串行存儲器的讀寫模塊子程序。因此，除串行存儲器讀寫模塊外，其余4個模塊相對獨立。這樣，就降低了程序編制、調(diào)試的復(fù)雜性，提高了軟件的可靠性和可維護性。
初始化與自檢模塊的功能是使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，并對各硬件電路進行檢測。檢測范圍包括：感應(yīng)卡讀寫IC是否正常、實時時鐘是否正常工作、串行存儲器讀寫是否正確、紅外線檢測電路是否正常工作、電機驅(qū)動電路、蜂鳴器及LED顯示等。利用LED的亮/滅組合指示故障電路，自檢覆蓋率達90%以上，大大提高了生產(chǎn)和維修工作的效率。
解碼與讀卡模塊主要負責驅(qū)動感應(yīng)卡讀寫IC，并對其返回的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)進行解碼。提高解碼的速度和成功率是編制該模塊的難點。成功解碼后，解碼與讀卡模塊將讀到的卡上數(shù)據(jù)以二進制碼形式傳送給數(shù)據(jù)校驗?zāi)K進行處理。后者以當前時間和存放在串行存儲器中的設(shè)置數(shù)據(jù)為依據(jù)進行校驗，確認是否為有效卡，從而決定是否開鎖，并完成寫開鎖記錄、新卡替舊卡等操作。
通信模塊負責控制與手掛式POS機的通信，利用POS機設(shè)置門鎖的房間號、開始時間、結(jié)束時間、讀卡密碼、當前時間等重要參數(shù)，并將存放在鎖內(nèi)的開鎖記錄上傳，以便傳遞到電腦進行統(tǒng)計分析。為防止非法操作，通信時要進行密碼核對。
（4）低功耗技術(shù)
由于采用電池供電，在設(shè)計智能電子門鎖時必須很好地解決低功耗問題。在靜態(tài)時，平均電流應(yīng)保持在25μA左右，這樣，4節(jié)5號堿性電池的使用壽命一般可達1年以上。為此，我們采取以下措施：
①選用PIC16F73。該芯片在睡眠模式下，如果I/O口狀態(tài)設(shè)置得當，電池可控制在1μA左右。
②盡可能降低晶振頻率。由于PIC16F73采用了先進的RISC結(jié)構(gòu)，即使在晶振頻率較低的情況下，也能穩(wěn)定工作，并提供足夠的處理能力。
③盡可能延長睡眠時間，縮短工作時間。為此，采用了紅外線探測技術(shù)。MCU在99%以上的時間內(nèi)都處于功耗極低的睡眠狀態(tài)，讀卡IC等大多數(shù)電路也停止工作，只有紅外線檢測電路定時發(fā)射紅外線信號。若無物體靠近，接收電路不會接收到紅外線信號，MCU就繼續(xù)睡眠；如有物體靠近，接收電路就會收到反射回來的紅外線信號，并立即通知MCU進行讀卡操作。處理好紅外線檢測電路的靈敏度和抗干擾能力的關(guān)系非常重要，如果靈敏度太低，就會產(chǎn)生讀卡反應(yīng)慢的現(xiàn)象；如果對抗干擾能夠不夠，各種燈光或太陽光中的紅外線可能引起誤觸發(fā)，使系統(tǒng)經(jīng)常處于工作狀態(tài)，都會嚴重影響系統(tǒng)性能。
④采用可由MCU控制的電源電路。當某些電路不工作時，就停止供電，等到需要工作時再供電；對某些電路，還可以降低供電電壓，以達到節(jié)電的目的。
（5）安全性與可靠性
門鎖系統(tǒng)在安全性方面需要解決的問題是：防止開門卡被非法復(fù)制；防止用非正常方式（如果工具撥、撬，用強力磁鐵吸等）開鎖；鎖體具備一定程序的抗外力破壞能力。
為了防止開門卡被非法復(fù)制，每一張卡片在出廠以前都進行了加密，不同的客戶使用互不相同的密碼。發(fā)卡管理軟件也用密碼保護，避免非授權(quán)人員利用發(fā)卡管理軟件非法制卡。由于采用三鎖防撥鎖芯，門關(guān)上時，防撥鎖被門框壓緊，自動鎖定主鎖，無法用工具撥開或撬開；電機帶動的離合機構(gòu)具有防強力磁鐵吸合功能；鎖制前鎖體上無任何鏍釘外露，防折防砸。
門鎖系統(tǒng)的可靠性也非常重要。我們從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面來提高系統(tǒng)的綜合可靠性。在硬件方面，我們選用的主處理器PIC16F73具有較高的抗干擾能力，內(nèi)部包含了具有獨立RC振蕩器的“看門狗（WDT）”電路，在程序跑飛時可自動將CPU復(fù)位，恢復(fù)正常運行；對存儲重要數(shù)據(jù)的EEPROM，采用硬件寫保護措施，避免數(shù)據(jù)在受到干擾時丟失；盡量使用貼片元件，嚴格進行老化篩選，保證元件品質(zhì)PCB布線方面，采取一系列措施，提高抗干擾能力。
在軟件設(shè)計方面，我們通過刷新各寄存器和SRAM單元，確何即使這些寄存器或SRAM單元受到干擾而被修改，也能立即恢復(fù)。在程序中，避免危險程序結(jié)構(gòu)也是提高可靠性的重要措施。有幾種循環(huán)結(jié)構(gòu)容易造成“死循環(huán)”隱串民，例如，在執(zhí)行某個功能時，必須循環(huán)等待某個由中斷或定時器產(chǎn)生的條件；由于等待的時間可能較長，在循環(huán)中會包含清WDT指令，這在正常流程中不會發(fā)生問題。但是，如果PC內(nèi)容受到干擾而改變，程序跑飛后，正好落在這種循環(huán)中，此時中斷或定時器可能未被打開，于是程序就會循環(huán)等待一個不可能出現(xiàn)的條件，即出現(xiàn)“死循環(huán)”。這種情況雖然出現(xiàn)概率較小，但也必須加以防止。
另外前面提到，為降低功耗，99%以上的時間內(nèi)MCU都處于功耗極低的睡眠狀態(tài)，大部分電路的電源被關(guān)閉。這種狀態(tài)下，抗干擾能力也較強。
結(jié)語
上述感應(yīng)式智能電子門鎖經(jīng)過充分測試和近1年的實際使用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在軟硬件功能、完全性、可靠性、低功耗等方面都已達到了設(shè)計要求。由于在設(shè)計之初，就考慮到要實現(xiàn)“一卡通”應(yīng)用，所以系統(tǒng)具有很好的擴展性。目前，已在酒店型智能電子門鎖的基礎(chǔ)上，發(fā)展出無需發(fā)卡管理軟件，用戶可自行發(fā)卡，獨立使用的辦公型電子門鎖和家用型電子門鎖系統(tǒng)，使用方便、安全可靠的保險箱系統(tǒng)，使用RS485總線聯(lián)網(wǎng)的智能消費終端，門禁/考勤系統(tǒng)等7個產(chǎn)品的產(chǎn)品系列。這個產(chǎn)品系列中的各個產(chǎn)品，不但在功能上實現(xiàn)了“一卡通”，而且使用的許多元器件都是相同的，部分產(chǎn)品之間甚至可以互換電路板，降低了生產(chǎn)的復(fù)雜性和產(chǎn)品成本。
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