性能安全可靠的智能密碼鎖工作原理

在安全技術(shù)防范領(lǐng)域，具有防盜報警功能的電子密碼鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式密碼鎖，克服了機械式密碼鎖密碼量少、安全性能差的缺點，使密碼鎖無論在技術(shù)上還是在性能上都大大提高一步。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機的問世，出現(xiàn)了帶微處理器的智能密碼鎖，它除具有電子密碼鎖的功能外，還引入了智能化管理、專家分析系統(tǒng)等功能，從而使密碼鎖具有很高的安全性、可靠性，應(yīng)用日益廣泛。本文介紹以51系列單片機為核心的智能密碼鎖，詳細(xì)闡述了其工作原理、基本功能框圖、關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)及軟件工作流程。 

    1 基本原理及硬件組成 

    智能密碼鎖的系統(tǒng)由智能監(jiān)控器和電子鎖具組成。二者異地放置，智能監(jiān)控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發(fā)送的報警信息和狀態(tài)信息。這里采用了線路復(fù)用技術(shù)，使電能供給和信息傳輸共用一根二芯電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性。 

    1.1 智能監(jiān)控器的基本原理及組成框圖 

    智能監(jiān)控器的組成框圖，它由單片機、時鐘、鍵盤、LCD顯示器、存貯器、解調(diào)器、線路復(fù)用及監(jiān)測、A/D轉(zhuǎn)換、蜂鳴器等單元組成。主要完成與電子鎖具之間的通信、智能化分析及通信線路的安全監(jiān)測等功能。  

    智能監(jiān)控器始終處于接收狀態(tài)，以固定的格式接收電子鎖具發(fā)來的報警信息和狀態(tài)信息。對于報警信息，則馬上通過LCD顯示器及蜂鳴器發(fā)出聲、光報警；對于狀態(tài)信息，則存入內(nèi)存，并與電子鎖具在此時刻以前的歷史狀態(tài)進行比較，得出變化趨勢，預(yù)測未來的狀態(tài)變化，通過LCD顯示器向值班人員提供相應(yīng)信息，以供決策使用。智能監(jiān)控器與電子鎖具建立通信聯(lián)系的同時，通過A/D轉(zhuǎn)換器實時地監(jiān)視流過通信線路的供電電流的變化，有效地防止人為因素造成的破壞，保證了通信線路的暢通。 

    1.2 電子鎖具基本原理及組成框圖 

    電子鎖具的組成框圖，它也是以51系列單片機(AT89051)為核心，配以相應(yīng)硬件電路，完成密碼的設(shè)置、存貯、識別和顯示、驅(qū)動電磁執(zhí)行器并檢測其驅(qū)動電流值、接收傳感器送來的報警信號、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。  

    單片機接收鍵入的代碼，并與存貯在EEPROM中的密碼進行比較，如果密碼正確，則驅(qū)動電磁執(zhí)行器開鎖；如果密碼不正確，則允許操作人員重新輸入密碼，最多可輸入三次；如果三次都不正確，則單片機通過通信線路向智能監(jiān)控器報警。單片機將每次開鎖操作和此時電磁執(zhí)行器的驅(qū)動電流值作為狀態(tài)信息發(fā)送給智能監(jiān)控器，同時將接收來自傳感器接口的報警信息也發(fā)送給智能監(jiān)控器，作為智能化分析的依據(jù)。  

    2 關(guān)鍵技術(shù) 

    為了提高智能密碼鎖的安全性、可靠性，本文除在器件選擇上采取措施(如采用低功耗、寬溫度范圍的器件)外，在設(shè)計中還采用了一些關(guān)鍵技術(shù)。 

    2.1 線路復(fù)用技術(shù) 

    智能監(jiān)控器和電子鎖具異地放置，智能監(jiān)控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發(fā)送的報警信息和狀態(tài)信息。如果采用通信線路和供電線路分開的方式，勢必要增加電纜芯數(shù)，安全隱患增加。本文采用了線路復(fù)用技術(shù)，僅用一根二芯電纜，實現(xiàn)了供電和信息的傳輸。原理圖如圖3所示。  

    在發(fā)送端，電子鎖具通過脈沖變壓器Ｔ將調(diào)制好的數(shù)據(jù)信號升壓后發(fā)送出去；在接收端，脈沖變壓器T將接收到的數(shù)據(jù)信號降壓后送解調(diào)器，以減少載波信號在傳輸過程中的損耗。為了減少通信和供電之間的相互干擾，對扼流圈L、耦合電容C的選擇要綜合考慮。 
設(shè)載波頻率fo＝400kHz，為了保證絕大部分信號能量傳輸?shù)浇邮斩?，取L＝33.7μH?C1＝0.047μF。 

    2.2 電流監(jiān)視技術(shù) 

    為了防止通信線路的人為破壞和電磁執(zhí)行器因某種原因造成流過電磁線圈的電流過大而燒毀線圈，本文在智能密碼鎖設(shè)計中采用電流監(jiān)視技術(shù)。電流監(jiān)視器采用MAXIM公司生產(chǎn)的電流／電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX471。該芯片能將被測電流I轉(zhuǎn)化成對地輸出電壓U，且有測量范圍大、精度高、輸出電壓U和被測電流I成正比等特點。電流監(jiān)視器輸出電壓送A/D轉(zhuǎn)換器，單片機通過讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，獲知線路中電流的變化情況，通過分析及時發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信號。原理電路如圖4所示。  

   2.3數(shù)據(jù)通訊與預(yù)處理技術(shù) 

   智能監(jiān)控器接收鎖具發(fā)來的狀態(tài)信息(其中包括鎖具的開啟、關(guān)閉、第一次密碼錯、第二次密碼錯、第三次密碼錯等)、流過電磁執(zhí)行器線圈的電流值，并讀取該時刻通訊線路的供電電流值，三者結(jié)合起來構(gòu)成一個數(shù)據(jù)塊，其中操作狀態(tài)占1個字節(jié)，供電電流占2個字節(jié)，線圈電流占2個字節(jié)。智能監(jiān)控器在與電子鎖具通信過程中，始終處于接收狀態(tài)。為了提高通信可靠性，本文在通信協(xié)議中采用重復(fù)發(fā)送的方式，電子鎖具對每一組數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送5次，智能監(jiān)控器接收到這組數(shù)據(jù)后，采用大數(shù)譯碼定律糾錯，保證了數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性。另外為了節(jié)約內(nèi)存需對接收到的數(shù)據(jù)采用預(yù)處理技術(shù)，即每接收到一個數(shù)據(jù)后，首先將該數(shù)據(jù)與設(shè)定的門限值比較，如果大于門限值，則發(fā)出超限報警；如果小于門限值，則將該數(shù)據(jù)與當(dāng)日接收到的同類數(shù)據(jù)比較，保留較大者。這樣每天存儲的數(shù)據(jù)為同類數(shù)據(jù)中的最大值，其流程圖如圖5所示。 

    2.4 智能化分析 

    智能化分析與預(yù)測技術(shù)就是以每次接收到的數(shù)據(jù)塊為依據(jù)，與此前同類數(shù)據(jù)的記錄值作比較，分析該操作引起電流變化的大小及趨勢，及時發(fā)現(xiàn)存在問題，并報告管理人員，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    智能密碼鎖軟件采用51系列單片機匯編語言對智能監(jiān)控器和電子鎖具分別編程。智能監(jiān)控器軟件包括鍵盤掃描和LCD顯示程序、蜂鳴器驅(qū)動程序、時鐘修改和讀取程序、數(shù)據(jù)通信與預(yù)處理程序、智能化分析程序及線路監(jiān)測程序等模塊。電子鎖具軟件包括鍵盤掃描與譯碼程序、LCD顯示程序、通信程序、電磁執(zhí)行器驅(qū)動及檢測程序、傳感器接口程序等模塊。軟件設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計方法，便于程序的閱讀、調(diào)試和改進。

    智能密碼鎖充分利用了51系統(tǒng)單片機軟、硬件資源，引入了智能化分析功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過在某型號保險柜安裝使用，受到用戶的歡迎。另外，智能密碼鎖在軟、硬件方面稍加改動，便可構(gòu)成智能化的分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)某一范圍內(nèi)的集中式監(jiān)控管理，在金融、保險、軍事重地及其它安全防范領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。