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使用TEMIC感應(yīng)卡技術(shù)的智能電子門(mén)鎖系統(tǒng)
摘要：簡(jiǎn)要介紹基于TEMIC感應(yīng)卡技術(shù)的電子門(mén)鎖系統(tǒng)，包括主要功能、工作模式、系統(tǒng)組成；重點(diǎn)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(mén)禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、消息系統(tǒng)及停車(chē)場(chǎng)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(mén)鎖 一卡通
1 概述
早期的智能電子門(mén)鎖是采用磁卡作為開(kāi)門(mén)鑰匙的磁卡鎖，主要用于賓館客房。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功能更強(qiáng)、可靠性更高的接觸式IC卡智能電子門(mén)鎖成為主流。接觸式IC卡電子鎖的主要優(yōu)點(diǎn)是卡片存儲(chǔ)容量大，有比較完善的完全機(jī)制。采用智能電子門(mén)鎖，可靈活地設(shè)定多種開(kāi)門(mén)權(quán)限，防止非法復(fù)制，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理和分區(qū)域管理。其時(shí)間控制功能和存儲(chǔ)開(kāi)門(mén)記錄功能徹底改變了機(jī)械式門(mén)鎖功能單一狀況，使門(mén)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(jí)賓館的基本設(shè)施之一。
進(jìn)入21世紀(jì)，感應(yīng)式IC卡（也稱(chēng)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(mén)鎖也應(yīng)運(yùn)而生。由于感應(yīng)式智能電子門(mén)鎖無(wú)機(jī)械接觸，不會(huì)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(kuò)展，已從傳統(tǒng)的酒店業(yè)擴(kuò)展到高級(jí)辦公場(chǎng)所、高級(jí)公寓，甚至進(jìn)入了家庭。
本文重點(diǎn)討論適用于高級(jí)賓館的感應(yīng)式智能電子門(mén)鎖系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)組成及功能
感應(yīng)式智能電子門(mén)鎖系統(tǒng)通常由智能電子門(mén)鎖、感應(yīng)卡、發(fā)卡管理軟件、手持式POS機(jī)和發(fā)卡器等5個(gè)部分組成。下面介紹各部分的主要功能。
（1）智能電子門(mén)鎖
安裝于客戶(hù)門(mén)上。當(dāng)有感應(yīng)卡接近鎖體上的天線時(shí)，鎖內(nèi)的微控制器（MCU）自動(dòng)啟動(dòng)讀卡程序。如果讀到的是有效卡，則驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，帶動(dòng)離合機(jī)構(gòu)，此時(shí)按下手柄，鎖就被打開(kāi)；如果讀到的是非有效卡，則發(fā)出無(wú)效卡提示，此時(shí)也能按下手柄，但鎖無(wú)法被打開(kāi)。
智能電子門(mén)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(jí)管理功能——支持服務(wù)區(qū)、樓層、樓座、酒店四級(jí)管理；
*時(shí)效控制功能——無(wú)論賓客卡還是職員卡，都有時(shí)效限制，到其自動(dòng)失效；
*時(shí)間表功能——可在每周7天中，指定有效日和無(wú)效日；
*時(shí)間窗功能——可在每天24小時(shí)中，規(guī)定有效時(shí)段和無(wú)效時(shí)段；
*新卡替舊卡功能——新發(fā)的卡可自動(dòng)終止舊卡；
*終止/恢復(fù)功能——可使用終止卡使指定客房門(mén)鎖暫停使用，可使用恢復(fù)卡使暫停使用的客房門(mén)鎖恢復(fù)使用；
*開(kāi)鎖記錄功能——刷卡時(shí)，門(mén)鎖將卡號(hào)和開(kāi)門(mén)時(shí)間記錄在鎖中，供隨時(shí)查詢(xún)，最大記錄數(shù)為240條；
*低電壓提示功能——當(dāng)電池電壓低于5.1V時(shí)，綠燈和黃燈同時(shí)亮起，提醒用戶(hù)換電池（低電壓提示后，仍能開(kāi)鎖100次以上）；
*反鎖功能——開(kāi)門(mén)卡可設(shè)定為允許開(kāi)反鎖或不允許開(kāi)反鎖；
*常開(kāi)功能——辦公型鎖具有常開(kāi)功能，酒店型無(wú)此功能。
（2）感應(yīng)卡
卡類(lèi)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(hù)信息、管理區(qū)域、房間設(shè)定；默認(rèn)參數(shù)設(shè)置；
*通訊管理——門(mén)鎖數(shù)據(jù)通信、基本信息查/詢(xún)、開(kāi)鎖記錄查詢(xún)；
*客房管理——制賓客卡、客人退卡、改有效期、空房查詢(xún)、入住情況、退卡查詢(xún)；
*員工管理——制員工卡、退員工卡、改員工卡、員工卡查詢(xún)、制處理卡。
（4）手持式POS機(jī)
手持式POS機(jī)用于發(fā)卡管理軟件和智能門(mén)鎖之間的信息溝通。發(fā)卡管理軟件通過(guò)RS232串口將酒店識(shí)別號(hào)、房間號(hào)、讀卡密碼等信息下載到POS機(jī)，再由POS機(jī)通過(guò)RS232串口將酒店識(shí)別號(hào)、房間號(hào)、讀卡密碼等信息下載到智能門(mén)鎖，同時(shí)可校對(duì)時(shí)間。同樣，存放在鎖內(nèi)的開(kāi)鎖記錄，也由POS機(jī)上傳到發(fā)卡管理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
（5）發(fā)卡器
實(shí)際上，發(fā)卡器是一臺(tái)TEMIC卡讀寫(xiě)器，與發(fā)卡管理軟件配合使用，完成發(fā)卡、鎖卡、卡查詢(xún)等功能。
3 智能電子門(mén)鎖設(shè)計(jì)
智能電子門(mén)鎖是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。智能門(mén)鎖的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：設(shè)計(jì)合理的卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，支持系統(tǒng)功能擴(kuò)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(guó)TEMIC公司（現(xiàn)已被美國(guó)Atmel公司收購(gòu)）研制開(kāi)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(xiě)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(jiǎn)單介紹應(yīng)答器e5550。e5550為帶264位EEPROM的TEMIC標(biāo)準(zhǔn)讀寫(xiě)應(yīng)答器芯片，其存儲(chǔ)區(qū)分為8個(gè)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(xiě)保護(hù)"，阻止任何改寫(xiě)。0區(qū)存放模式字，其讀寫(xiě)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(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，可按區(qū)讀寫(xiě)。7區(qū)在口令模式工作時(shí)為口令區(qū)，如果不需要口令保護(hù)，7區(qū)也可以與1～6區(qū)一樣用做用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)。
讀寫(xiě)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(xiě)器。也可以說(shuō)，U2270B讀寫(xiě)基站芯片是MCU與應(yīng)答器之間的通信接口。應(yīng)答器進(jìn)入RF磁場(chǎng)，經(jīng)線圈感應(yīng)得到電能并自動(dòng)加電復(fù)位后，等待256個(gè)RF場(chǎng)時(shí)鐘周期后，開(kāi)始按照模式字設(shè)定的比特率和調(diào)制方式，對(duì)存儲(chǔ)器相應(yīng)區(qū)數(shù)據(jù)重復(fù)讀取并發(fā)送�；拘酒瑢�(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(guò)對(duì)基站芯片的CFE進(jìn)行控制，以短間隙射頻場(chǎng)中斷的辦法，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入應(yīng)答器。
（2）硬件設(shè)計(jì)
智能電子門(mén)鎖的原理如圖1所示。微控制器（MCU）采用美國(guó)Microchip公司的8位微控制器（PIC16F73）。紅外線檢測(cè)電路的作用是探測(cè)有無(wú)感應(yīng)卡靠近，每隔一定時(shí)間，發(fā)射電路會(huì)自動(dòng)射紅外線信號(hào)，如有物體靠近，接收電路就會(huì)收到反射回來(lái)的紅外線信號(hào)，并立即通知MCU進(jìn)行讀卡操作。感應(yīng)卡讀寫(xiě)IC在MCU驅(qū)動(dòng)下，對(duì)感應(yīng)卡進(jìn)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(guò)程序解碼；將解碼后的卡上數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器中存放的鎖內(nèi)參數(shù)進(jìn)行核驗(yàn)，并依據(jù)當(dāng)前時(shí)間，確定是否是有效卡；如果有效卡，則啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)鎖，同時(shí)將相關(guān)信息（開(kāi)鎖記錄）存入存儲(chǔ)器。MCU通過(guò)RS232接口與手持式POS機(jī)進(jìn)行通信，從POS機(jī)接收各種設(shè)置數(shù)據(jù)、校對(duì)時(shí)間等；在必要時(shí)可將鎖內(nèi)存放的開(kāi)鎖記錄傳送給POS機(jī)，然后傳遞到電腦，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。低電壓檢測(cè) 電路自動(dòng)對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦電池電壓下降到規(guī)定值，立即通知MCU，由MCU啟動(dòng)黃色低電壓提示LED，提醒客戶(hù)盡快地?fù)Q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(shí)際需要改變電壓值，從而使總體功耗保持最低，延長(zhǎng)電池使用壽命。
（3）微控制器軟件設(shè)計(jì)
MCU控制軟件整個(gè)系統(tǒng)中最重要的環(huán)境。我們使用匯編語(yǔ)言編程，采用自頂向下（top-down）的程序設(shè)計(jì)方法，遵循結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的原則，使軟件效率和可維護(hù)性較高。
軟件主要分以下5個(gè)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(yàn)?zāi)K、通信模塊和串行存儲(chǔ)器讀寫(xiě)模塊等。串行存儲(chǔ)器讀寫(xiě)模塊的主要功能是，為其它模塊提供訪問(wèn)串行存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)模塊子程序。因此，除串行存儲(chǔ)器讀寫(xiě)模塊外，其余4個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)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(hù)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(duì)各硬件電路進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)范圍包括：感應(yīng)卡讀寫(xiě)IC是否正常、實(shí)時(shí)時(shí)鐘是否正常工作、串行存儲(chǔ)器讀寫(xiě)是否正確、紅外線檢測(cè)電路是否正常工作、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)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(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)卡讀寫(xiě)IC，并對(duì)其返回的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。提高解碼的速度和成功率是編制該模塊的難點(diǎn)。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(jìn)制碼形式傳送給數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行處理。后者以當(dāng)前時(shí)間和存放在串行存儲(chǔ)器中的設(shè)置數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)是否為有效卡，從而決定是否開(kāi)鎖，并完成寫(xiě)開(kāi)鎖記錄、新卡替舊卡等操作。
通信模塊負(fù)責(zé)控制與手掛式POS機(jī)的通信，利用POS機(jī)設(shè)置門(mén)鎖的房間號(hào)、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、讀卡密碼、當(dāng)前時(shí)間等重要參數(shù)，并將存放在鎖內(nèi)的開(kāi)鎖記錄上傳，以便傳遞到電腦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為防止非法操作，通信時(shí)要進(jìn)行密碼核對(duì)。
（4）低功耗技術(shù)
由于采用電池供電，在設(shè)計(jì)智能電子門(mén)鎖時(shí)必須很好地解決低功耗問(wèn)題。在靜態(tài)時(shí)，平均電流應(yīng)保持在25μA左右，這樣，4節(jié)5號(hào)堿性電池的使用壽命一般可達(dá)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(dāng)，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(jìn)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(zhǎng)睡眠時(shí)間，縮短工作時(shí)間。為此，采用了紅外線探測(cè)技術(shù)。MCU在99%以上的時(shí)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(cè)電路定時(shí)發(fā)射紅外線信號(hào)。若無(wú)物體靠近，接收電路不會(huì)接收到紅外線信號(hào)，MCU就繼續(xù)睡眠；如有物體靠近，接收電路就會(huì)收到反射回來(lái)的紅外線信號(hào)，并立即通知MCU進(jìn)行讀卡操作。處理好紅外線檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生讀卡反應(yīng)慢的現(xiàn)象；如果對(duì)抗干擾能夠不夠，各種燈光或太陽(yáng)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(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。
④采用可由MCU控制的電源電路。當(dāng)某些電路不工作時(shí)，就停止供電，等到需要工作時(shí)再供電；對(duì)某些電路，還可以降低供電電壓，以達(dá)到節(jié)電的目的。
（5）安全性與可靠性
門(mén)鎖系統(tǒng)在安全性方面需要解決的問(wèn)題是：防止開(kāi)門(mén)卡被非法復(fù)制；防止用非正常方式（如果工具撥、撬，用強(qiáng)力磁鐵吸等）開(kāi)鎖；鎖體具備一定程序的抗外力破壞能力。
為了防止開(kāi)門(mén)卡被非法復(fù)制，每一張卡片在出廠以前都進(jìn)行了加密，不同的客戶(hù)使用互不相同的密碼。發(fā)卡管理軟件也用密碼保護(hù)，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(mén)關(guān)上時(shí)，防撥鎖被門(mén)框壓緊，自動(dòng)鎖定主鎖，無(wú)法用工具撥開(kāi)或撬開(kāi)；電機(jī)帶動(dòng)的離合機(jī)構(gòu)具有防強(qiáng)力磁鐵吸合功能；鎖制前鎖體上無(wú)任何鏍釘外露，防折防砸。
門(mén)鎖系統(tǒng)的可靠性也非常重要。我們從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面來(lái)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(dú)立RC振蕩器的“看門(mén)狗（WDT）”電路，在程序跑飛時(shí)可自動(dòng)將CPU復(fù)位，恢復(fù)正常運(yùn)行；對(duì)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)的EEPROM，采用硬件寫(xiě)保護(hù)措施，避免數(shù)據(jù)在受到干擾時(shí)丟失；盡量使用貼片元件，嚴(yán)格進(jìn)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(jì)方面，我們通過(guò)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(xiǎn)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(gè)功能時(shí)，必須循環(huán)等待某個(gè)由中斷或定時(shí)器產(chǎn)生的條件；由于等待的時(shí)間可能較長(zhǎng)，在循環(huán)中會(huì)包含清WDT指令，這在正常流程中不會(huì)發(fā)生問(wèn)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(shí)中斷或定時(shí)器可能未被打開(kāi)，于是程序就會(huì)循環(huán)等待一個(gè)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(shí)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(qiáng)。
結(jié)語(yǔ)
上述感應(yīng)式智能電子門(mén)鎖經(jīng)過(guò)充分測(cè)試和近1年的實(shí)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于在設(shè)計(jì)之初，就考慮到要實(shí)現(xiàn)“一卡通”應(yīng)用，所以系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。目前，已在酒店型智能電子門(mén)鎖的基礎(chǔ)上，發(fā)展出無(wú)需發(fā)卡管理軟件，用戶(hù)可自行發(fā)卡，獨(dú)立使用的辦公型電子門(mén)鎖和家用型電子門(mén)鎖系統(tǒng)，使用方便、安全可靠的保險(xiǎn)箱系統(tǒng)，使用RS485總線聯(lián)網(wǎng)的智能消費(fèi)終端，門(mén)禁/考勤系統(tǒng)等7個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)品系列。這個(gè)產(chǎn)品系列中的各個(gè)產(chǎn)品，不但在功能上實(shí)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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