性能安全可靠的智能密碼鎖工作原理

在安全技術防范領域，具有防盜報警功能的電子密碼鎖代替傳統的機械式密碼鎖，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上還是在性能上都大大提高一步。隨著大規模集成電路技術的發展，特別是單片機的問世，出現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、專家分析系統等功能，從而使密碼鎖具有很高的安全性、可靠性，應用日益廣泛。本文介紹以51系列單片機為核心的智能密碼鎖，詳細闡述了其工作原理、基本功能框圖、關鍵設計技術及軟件工作流程。 

    1 基本原理及硬件組成 

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

    1.1 智能監控器的基本原理及組成框圖 

    智能監控器的組成框圖，它由單片機、時鐘、鍵盤、LCD顯示器、存貯器、解調器、線路復用及監測、A/D轉換、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測等功能。  

    智能監控器始終處于接收狀態，以固定的格式接收電子鎖具發來的報警信息和狀態信息。對于報警信息，則馬上通過LCD顯示器及蜂鳴器發出聲、光報警；對于狀態信息，則存入內存，并與電子鎖具在此時刻以前的歷史狀態進行比較，得出變化趨勢，預測未來的狀態變化，通過LCD顯示器向值班人員提供相應信息，以供決策使用。智能監控器與電子鎖具建立通信聯系的同時，通過A/D轉換器實時地監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，配以相應硬件電路，完成密碼的設置、存貯、識別和顯示、驅動電磁執行器并檢測其驅動電流值、接收傳感器送來的報警信號、發送數據等功能。  

    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，則驅動電磁執行器開鎖；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控器報警。單片機將每次開鎖操作和此時電磁執行器的驅動電流值作為狀態信息發送給智能監控器，同時將接收來自傳感器接口的報警信息也發送給智能監控器，作為智能化分析的依據。  

    2 關鍵技術 

    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，在設計中還采用了一些關鍵技術。 

    2.1 線路復用技術 

    智能監控器和電子鎖具異地放置，智能監控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發送的報警信息和狀態信息。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，安全隱患增加。本文采用了線路復用技術，僅用一根二芯電纜，實現了供電和信息的傳輸。原理圖如圖3所示。  

    在發送端，電子鎖具通過脈沖變壓器Ｔ將調制好的數據信號升壓后發送出去；在接收端，脈沖變壓器T將接收到的數據信號降壓后送解調器，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。 
設載波頻率fo＝400kHz，為了保證絕大部分信號能量傳輸到接收端，取L＝33.7μH?C1＝0.047μF。 

    2.2 電流監視技術 

    為了防止通信線路的人為破壞和電磁執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計中采用電流監視技術。電流監視器采用MAXIM公司生產的電流／電壓轉換芯片MAX471。該芯片能將被測電流I轉化成對地輸出電壓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。電流監視器輸出電壓送A/D轉換器，單片機通過讀取A/D轉換結果，獲知線路中電流的變化情況，通過分析及時發現異常，發出報警信號。原理電路如圖4所示。  

   2.3數據通訊與預處理技術 

   智能監控器接收鎖具發來的狀態信息(其中包括鎖具的開啟、關閉、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，三者結合起來構成一個數據塊，其中操作狀態占1個字節，供電電流占2個字節，線圈電流占2個字節。智能監控器在與電子鎖具通信過程中，始終處于接收狀態。為了提高通信可靠性，本文在通信協議中采用重復發送的方式，電子鎖具對每一組數據重復發送5次，智能監控器接收到這組數據后，采用大數譯碼定律糾錯，保證了數據接收的準確性。另外為了節約內存需對接收到的數據采用預處理技術，即每接收到一個數據后，首先將該數據與設定的門限值比較，如果大于門限值，則發出超限報警；如果小于門限值，則將該數據與當日接收到的同類數據比較，保留較大者。這樣每天存儲的數據為同類數據中的最大值，其流程圖如圖5所示。 

    2.4 智能化分析 

    智能化分析與預測技術就是以每次接收到的數據塊為依據，與此前同類數據的記錄值作比較，分析該操作引起電流變化的大小及趨勢，及時發現存在問題，并報告管理人員，從而提高了整個系統的可靠性。

    3 系統軟件設計

    智能密碼鎖軟件采用51系列單片機匯編語言對智能監控器和電子鎖具分別編程。智能監控器軟件包括鍵盤掃描和LCD顯示程序、蜂鳴器驅動程序、時鐘修改和讀取程序、數據通信與預處理程序、智能化分析程序及線路監測程序等模塊。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、電磁執行器驅動及檢測程序、傳感器接口程序等模塊。軟件設計過程中采用模塊化設計方法，便于程序的閱讀、調試和改進。

    智能密碼鎖充分利用了51系統單片機軟、硬件資源，引入了智能化分析功能，提高了系統的可靠性和安全性。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，便可構成智能化的分布式監控網絡，實現某一范圍內的集中式監控管理，在金融、保險、軍事重地及其它安全防范領域具有廣泛的應用前景。