CN102800142B - 智能钥匙及智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能锁及与之相应的智能钥匙，智能钥匙采用发射线圈来进行传能，而智能锁内部不需要电源，其依靠接收线圈来接收智能钥匙的传能，为锁体内部的解锁控制机构供电，由于没有采用触点电极接触，避免因使用环境恶劣造成的安全隐患；此外，本发明还提出了一种智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，可实现智能锁与智能钥匙的双向验证，用户可根据实际需求进行权限设置，管理更方便，而且，一旦出现钥匙丢失或者被非法复制，或者要作废指定钥匙，只需要采用授权器对锁具进行黑名单操作，对指定钥匙记录进入锁具的黑名单，则该指定钥匙就无法使用了，安全性更高。本发明适用于各种用户，特别适用于需要管理大量锁具的用户。

Description

智能钥匙及智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法

技术领域

本发明涉及锁具及用于开、闭锁具的钥匙，具体的说，是涉及一种智能锁、智能钥匙及智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法。

背景技术

锁具作为一种防盗、保护隐私的手段被广泛应用，而且在较多行业领域里更是需要应用大量的锁具，如：企事业单位的办公室、库房、重要资料的门、柜、箱，市政、电力、自来水、燃气等行业的表箱、环网柜、配线箱、阀门箱、灯杆舱盖等；这就涉及到如何对众多的锁具进行管理，目前采用的方式有：一对一管理(一把钥匙对应一把锁)和一对多管理(一把钥匙对应多把锁，即所谓的“通开锁”)。一对一管理在管理锁具数量多的情况时需要管理人员携带多把钥匙，因此我们常常可以看到管理人员拿着少则十多把多则上百把的钥匙串，使用和管理都很不方便。后来为了方便管理，又使用了一对多管理(通开锁)，由一把钥匙来管理多把锁具，而带来的问题是因为一把钥匙可以开很多锁，如果钥匙被盗、遗失、管理失效，都会造成其对应的所有锁具都可能会有被非授权打开的情况，造成严重的管理隐患。随着科技的发展，又出现了采用智能卡开锁的电控锁，这种锁具虽然具有能够进行多锁管理的功能，但是因锁体的体积大、需要布线、成本高、结构复杂、一般仅用在方便布线及环境良好的室内场所，不具有广泛的适应性。

近年来还出现了一种通过电子授权钥匙进行开锁的方式来管理多数量的纯机械锁具，但是这种技术不具备锁内电子编码，使得被管理的锁具均采用同一种机械编码，安全性较差。而且这些现有的锁具不具备权限设置的适应性，如：在锁具内部设置在指定时间段被指定的一把钥匙或多把钥匙打开，或者在钥匙持有人的开门权限发生变化时，改变钥匙的开门权限(如：人员部门发生变化，有些以前允许开的门不能再开，有些以前不能开的门可以打开等)。

目前在国外开发出了一种无源智能锁，锁体内没有电源，不需要进行布线等安装设计，钥匙内带有电源。锁体依靠触点电极与钥匙的触点电极接触，使钥匙给锁体供电。但是这种方式因为采用触点供电和通讯，而触点在湿度大、粉尘多、盐雾重等环境中容易出现锈蚀、氧化、积垢等情况，产生接触不良的问题，并且在含有易燃易爆气体的环境中使用，可能会因为接触不良产生电火花造成事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种新型的智能锁及与之对应的智能钥匙，智能钥匙可采用非接触式传能供电方式控制锁具的开、闭，避免因使用环境恶劣造成的安全隐患，此外，本发明还提出了所述智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，根据需求进行开锁权限设置，增强了对锁具管理的方便性和安全性。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：智能锁，包括处理器单元及与之相连的运动机构控制单元，还包括接收线圈，信号/电源分离单元；所述接收线圈连接信号/电源分离单元的输入端，所述信号/电源分离单元的输出端连接信号整形处理单元、信号放大单元、储能控制单元及稳压单元；所述储能控制单元连接运动机构控制单元；所述信号整形处理单元、信号放大单元均连接处理器单元。

其中，接收线圈用于接收电能和无线通讯信号，并将接收的电能和无线通讯信号传输给信号/电源分离单元进行分离，一方面，分离出的高频无线通讯信号被送入信号整形处理单元进行整形、滤波处理后输出相关指令到处理器单元，由处理器单元对指令进行运算后下达相应控制命令；另一方面，分离出的电能由于电量微弱，不足以驱动后续电路工作，因此将电能传送至储能控制单元进行积蓄后释放，如：为运动机构控制单元提供电力支持；稳压单元用于在电能提取过程中进行稳压，信号放大单元用于智能锁向外通信时进行信号放大处理；由于该智能锁是通过接收线圈来接收通讯数据和电能，锁体内部不与钥匙头接触，因此避免了因为二者接触而产生各种弊端。在智能锁的处理器单元中含有存储介质，可以通过存储相应的预设置信息，对相应的钥匙进行权限设置。

需要说明的是，基于双向交互，接收线圈还用于发送智能锁产生的通讯信号。

进一步，该智能锁还包括传感器单元，所述传感器单元与处理器单元相连，用于检测各种传感数据，如：锁具开关状态、温度、电压、电流状态等。

优选的，所述的处理器单元选用微功耗微处理器，这样可以使需要的电量尽量的少，使智能锁的电量积蓄不需要很长的时间。

智能钥匙，包括处理器单元、电源管理单元、显示单元、存储单元、按键单元；所述电源管理单元、显示单元、存储单元、按键单元均连接处理器单元；其还包括信号接收单元、信号放大单元、发射线圈；所述发射线圈通过信号接收单元与处理器单元进行输入连接；所述处理器单元通过信号放大单元与发射线圈进行输出连接。

该智能钥匙采用了发射线圈来发射通讯数据和对锁体供电，钥匙头与锁体不进行接触，由此避免了因为二者接触而产生各种弊端。

需要说明的是，基于双向交互，发射线圈还用于接收智能锁产生的通讯信号或者接收其它外设(如：计算机)产生的通讯信号。

进一步，电源管理单元采用可充电的蓄电池，或者采用普通干电池；存储单元采用flash存储器，成本低、使用寿命长；显示单元可采用LCD屏，显示亮度高；按键单元可采用触摸式按键，操作更方便。

具体的，所述的信号接收单元包括分别与所述发射线圈连接的低速信号接收单元和高速信号接收单元，其中高速信号接收单元用于智能钥匙和计算机或其它智能钥匙等设备进行通讯，对智能钥匙进行相关数据的设置；低速信号接收单元用于智能钥匙和锁体进行通讯。

进一步，该智能钥匙还包括与处理器单元相连的发声单元，用于在操作中进行声音提示，更具备人性化。

智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，包括以下步骤：

a.在智能钥匙插入智能锁后，智能钥匙向智能锁进行非接触式传能；

b.智能锁获得传能后向智能钥匙发送自身ID号；

c.智能钥匙获得智能锁的ID号，并调用本地存储的权限表进行判断，如果该智能锁符合解锁条件，则向该智能锁发送智能钥匙的ID号，进入步骤d,如果该智能锁不符合解锁条件，则进入步骤h；

d.智能锁获得智能钥匙的ID号，并调用本地存储的权限表进行判断，如果判断该智能钥匙具备解锁权限，则向智能钥匙发送允许解锁数据包，进入步骤e，如果判断该智能钥匙不具备解锁权限，则向智能钥匙发送拒绝解锁数据包，进入步骤h；

e.智能钥匙在获得允许解锁数据包后向智能锁发送解锁授权码；

f.智能锁获得解锁授权码并进行判断，如果判断该解锁授权码为合法授权，则发送准备解锁数据包到智能钥匙，并开始储能向其内部运动机构控制单元供电，控制解锁机构动作，解锁完成后，向智能钥匙发送解锁结果；如果判断该解锁授权码为非法授权，则向智能钥匙发送拒绝解锁数据包，进入步骤h；

g.智能钥匙停止传能，提示解锁成功，解锁流程结束；

h.智能钥匙停止传能，提示解锁失败，解锁流程结束。

进一步，在步骤c中，智能钥匙本地存储的权限表中包括与该智能钥匙对应的智能锁的ID号的黑名单和白名单，如果判断某个智能锁的ID号不在黑名单，且在白名单中，则该智能锁符合解锁条件，如果判断某个智能锁的ID号在黑名单，或不在白名单中，则该智能锁不符合解锁条件。

进一步，在步骤d中，智能锁本地存储的权限表中包括与该智能锁对应的智能钥匙的ID号的黑名单和白名单，如果判断某个智能钥匙的ID号不在黑名单，且在白名单中，则该智能钥匙具备解锁权限，如果判断某个智能钥匙的ID号在黑名单，或不在白名单中，则该智能钥匙不具备解锁权限。

本发明的有益效果是：智能钥匙采用发射线圈来进行传能，而智能锁内部不需要电源，其依靠接收线圈来接收智能钥匙的传能，为锁体内部的解锁控制机构供电，由于没有采用触点电极接触，避免因使用环境恶劣造成的安全隐患；本发明提出的智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，可实现智能锁与智能钥匙的双向验证，用户可根据实际需求进行权限设置，管理更方便，而且，一旦出现钥匙丢失或者被非法复制，或者要作废指定钥匙，只需要采用授权器对锁具进行黑名单操作，对指定钥匙记录进入锁具的黑名单，则该指定钥匙就无法使用了，安全性更高。

附图说明

图1为本发明中的智能锁的一种实施例结构框图；

图2为智能锁实施例中的接收线圈、信号/电源分离单元和稳压单元的电路结构图；

图3为本发明中的智能钥匙的一种实施例结构框图；

图4为智能钥匙实施例中的发射线圈和信号接收单元的电路结构图；

图5为智能钥匙在高速数据通讯时的归零OOK编码/解码波形图；

图6为智能锁与智能钥匙之间进行双向交互控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述。

参见图1，本发明的智能锁，包括微功耗微处理器及与之相连的运动机构控制单元，还包括接收线圈，信号/电源分离单元、传感器单元；所述接收线圈连接信号/电源分离单元的输入端，所述信号/电源分离单元的输出端连接信号整形处理单元、信号放大单元、储能控制单元及稳压单元；所述储能控制单元连接运动机构控制单元；所述信号整形处理单元、信号放大单、传感器单元均连接微功耗微处理器。

其中，接收线圈用于接收电能和无线通讯信号，并将接收的电能和无线通讯信号传输给信号/电源分离单元进行分离，一方面，分离出的高频无线通讯信号被送入信号整形处理单元进行整形、滤波处理后输出相关指令到微功耗微处理器，由微功耗微处理器对指令进行运算后下达相应控制命令，如：控制储能控制单元进行电能存储或控制解锁机构动作或控制传感器单元工作(检测锁具开关状态，温度，电压，电流等参数)；另一方面，分离出的电能由于电量微弱，不足以驱动后续电路工作，因此将电能传送至储能控制单元进行积蓄后释放，如：为运动机构控制单元提供电力支持；稳压单元用于在电能提取过程中进行稳压，信号放大单元用于智能锁向外通信时进行信号放大处理；由于该智能锁是通过接收线圈来接收通讯数据和电能，锁体内部不与钥匙头接触，因此避免了因为二者接触而产生各种弊端。在智能锁的微功耗微处理器中含有存储介质，可以通过存储相应的预设置信息(如与该智能锁对应的钥匙的ID的黑名单、白名单)，用于对相应的钥匙能否解锁进行权限设置。

参见图2，在信号/电源分离单元中通过并联的二极管D4，D5对接收信号进行整流，并且在储能控制单元中通过与运动机构控制单元连接的电容进行电量储存。当电子锁的接收线圈L2的谐振频率与钥匙的谐振频率匹配时，将感应出足够电能经信号/电源分离单元的二极管D4、D5，以及稳压单元的二极管D3、滤波电容C17、C16构成整流滤波获得电源VCC1，再经稳压模块U3稳压后，经滤波电容C13、C14滤波得到3.3V供微功耗的微处理器上电工作。延迟时间t以后从微功耗的微处理器输出上电复位应答数据(其中包含电子锁的信息及标志)经信号叠加单元加载到接收线圈L2和信号/电源分离单元的电容C11上形成二进制振幅键控(2ASK)调整，经电磁感应反馈到钥匙端进行相关的处理和识别。当识别结果符合指定被动设备时，从钥匙发送的指令数据流由电子锁的接收线圈L2进行感应接收，信号/电源分离单元分离出高频信号经信号整形单元低通滤波、放大、比较整形出指令数据流，送入微功耗的微处理器进行运算，之后根据指令进行如采集传感单元中各种传感数据(开关状态，温度，电压，电流等)或控制储能控制单元对用于储能的电容进行电量储蓄，或控制运动机构控制单元进行动作，最后以上述的2ASK编码方式反馈给钥匙。

参见图3，本发明中的智能钥匙包括处理器单元、电源管理单元、显示单元、存储单元、按键单元、发声单元；所述电源管理单元、显示单元、存储单元、按键单元、发声单元均连接处理器单元；其还包括信号接收单元、信号放大单元、发射线圈；所述发射线圈通过信号接收单元与处理器单元进行输入连接；所述处理器单元通过信号放大单元与发射线圈进行输出连接。

其中，电源管理单元可采用可反复充电的蓄电池，或者采用普通干电池；显示单元可采用目前市场流行的LCD显示屏，实现高亮度显示；存储单元可采用大容量flash，成本低、使用寿命长；按键单元可采用触摸式按键，操作方便；发声单元可采用蜂鸣器对用户操作进行声音提示。

在信号接收单元具有分别与所述发射线圈连接的低速信号接收单元和高速信号接收单元。低速信号接收单元用于电子钥匙和锁体进行通讯，其电路结构可以与传统RFID(电子标签)的电路结构类似或相同。如图4所示，高速信号接收单元中具有放大器U9，放大器U9的正极与发射线圈L1连接，放大器U9的输出与所述处理器单元(微处理器)连接。高速信号接收单元用于电子钥匙与计算机等设备进行通讯，对电子钥匙进行相关数据的设置。在发射线圈中，发射线圈L1的输入端通过继电器RL1与三极管结构的导通元件Q0连接，通过导通元件Q0控制继电器RL1的吸合或断开使发射线圈L1分别与低速信号接收单元或高速信号接收单元进行信号传递。

低速供能通讯模式主要用于电子钥匙为锁体提供电能和双向半双工通讯连接。在低速供能通讯模式下电子钥匙的微处理器输出高电平使三极管结构的导通元件Q0导通，继电器RL1吸合，谐振电容C50与发射线圈L1满足频率为f1的谐振条件，微处理器输出高电平使电源管理单元输出稳定VDD电源。微处理器的又一引脚输出占空比为50％且频率为f1的PWM方波经功放单元输出到发射线圈L1与谐振电容C50的线圈谐振回路。当锁体内电路的谐振频率与电子钥匙的谐振频率匹配时，锁体将感应出足够电能进行工作。当锁体将反馈信号经电磁感应反馈到电子钥匙的发射线圈L1和谐振电容C50，经低速信号接收单元低通滤波，放大比较后解调出复位应答数据送到微处理器中进行运算、识别。当识别结果非指定锁体时，间隔时间t1后重复以上过程。当识别结果符合指定锁体时从微处理器输出经2FSK编码(其中f1代表‘1’，f0代表‘0’，两者频差为Δf)的指令数据流经功放单元放大，送至发射线圈通过电磁感应发送到锁体，锁体再经以上所述2ASK编码方式反馈给主控端。使用上述的上行2ASK调制截图,下行2FSK调制解调进行双向数据通讯，在此双向数据通讯期间由于主控端的线圈L1输出不会间断，只是频率或幅度的变换电能将持续不断。

高速通讯模式主要用于电子钥匙甲与电子钥匙乙或电子钥匙与PC/智能设备间进行高速双向半双工数据通讯，通常这种通讯用于对电子钥匙进行输入或相应的设置。其通讯速率可以达到57600～460800bps(bits per second)，可以达到极高通讯吞吐量。

在高速供能通讯模式下作为发送的电子钥匙甲的微处理器输出低电平使Q0三极管导通，继电器RL1释放，谐振电容C50与发射线圈L1的谐振回路断开失去谐振条件，此状态下发射线圈L1、电阻R79和电容C47形成低时间常数的高频回路。微处理器输出高电平使电源管理单元输出VDD电源，微处理器的其它引脚输出低电平，进入准备接收状态。发送数据时微处理器输出占空比为0.1875的归零OOK编码数据流(高电平有效的数据流)经功放单元输出到发射线圈L1与电阻R79及电容C47的构成线圈回路。数据发送完成微处理器的相关引脚恢复低电平有效，进入接收状态。

作为接收的电子钥匙乙也按上述流程进入准备接收状态，当接收设备靠近正在发送数据的发送设备的发射线圈L1时，接收设备的发射线圈L1因电磁感应产生与发送设备相似的波形，经高速信号接收单元滤波放大还原出发送设备的归零OOK编码数据流，进入微处理器进行解码分析处理，应答归零OOK编码数据流从微处理器输出，回到发送设备。

使用以上所述流程可以实现物理层占空比为0.1875的归零OOK编码/解码半双工高速通信。由于数据流输出高电平脉宽很窄(占空比很低)，因此功耗很低。

如图5所示，在高速数据通讯时占空比为0.1875的归零OOK编码/解码波形，从图中可以看出，编码波形中：

BITCLK时发送数据流码率的16倍频。

TX为发送数据流编码前波形。

TXOUT为发送数据经过占空比为0.1875的归零OOK编码后波形。

解码波形中：

BITCLK时待接收数据流码率的16倍频。

RXIN为收到的经过占空比为0.1875的归零OOK编码后波形。

RX为经过占空比为0.1875的归零OOK解码后数据流编码波形。

基于上述，本发明中的智能钥匙与智能锁之间可实现非接触式传能，并且可以利用发射线圈和接收线圈实现无线双向交互，即当智能钥匙作为信号发起端时，发射线圈可以对通讯信号和电能进行发射，此时智能锁的接收线圈所起的作用就是接收通讯信号和电能；当智能锁作为信号发起端时，接收线圈就起到发射通讯信号的作用，而智能钥匙中的发射线圈就起到接收通讯信号的作用。

具体的，智能钥匙与智能锁之间的双向交互方法如图6所示，其包括如下流程：

智能钥匙(以下简称钥匙)插入智能锁(以下简称锁具)后，智能钥匙向智能锁进行非接触式传能，在智能锁获得供能后向钥匙发送自身ID(包含锁具类型)数据包，等待钥匙回复，钥匙在指定超时时间内收到锁具ID,则与自身存储的黑白名单对比，不在黑名单中同时其在白名单中，则向锁具发送钥匙ID数据包。如果钥匙接收锁具ID超时则立即停止供能；或锁具ID在黑名单中则停止传能并提示“非法授权”。锁具收到钥匙ID后与自身存储的黑白名单对比，不在黑名单中同时其在白名单中，则向钥匙发送允许解锁数据包，否则发送拒绝解锁数据包。钥匙收到拒绝解锁，则停止供能并提示“非法授权”。钥匙收到允许解锁，则向锁具发送解锁授权码(认证码)，锁具收到解锁授权码后判断，符合则发送准备解锁数据包到钥匙，并开始储能向解锁机构供电动作，动作后发送解锁结果到钥匙后停止。授权码非法则发送拒绝解锁数据包后停止。钥匙收到准备解锁后持续供能等待解锁结果，收到解锁结果后停止供能并提示“解锁成功”。到此解锁流程完成。

通过上述交互方法，可以实现智能锁与智能钥匙之间的双向验证：

一方面，可以在智能钥匙中对钥匙的开锁权限进行设置(对钥匙中的黑名单、白名单、授权开锁时段、授权开锁次数等权限进行操作)，如果用户希望该钥匙只能开启A锁，不能开启B锁，则将A锁的ID号加入钥匙中的白名单中，将B锁的ID号加入钥匙中的黑名单中，如此，当有人用此钥匙试图去打开B锁时，钥匙发现B锁的ID号在黑名单中，则停止功能，提示非法授权，进而无法完成解锁；

另一方面，可以在智能锁中对钥匙的开锁权限进行设置(对锁中的黑名单、白名单进行操作)，若用户的智能钥匙丢失，则只需要采用授权器(或者另外一把只具备授权功能的智能钥匙)对智能锁中的黑名单进行操作，将丢失的智能钥匙的ID写入黑名单中，则该钥匙就作废了，即使被人拾取或复制，在进行解锁时，也会收到锁具发送的拒绝解锁数据包，无法完成解锁；

此外，在智能钥匙获收到智能锁发送的允许解锁数据包后并非就能够直接完成解锁，还需要向智能锁发送解锁授权码，只有当智能锁判定这个解锁授权码合法时，才控制解锁机构动作，开始解锁；即本发明还对智能钥匙开锁进行了附加条件限制，这些附加条件预先设定，存储在钥匙中，并在相应智能锁中存储判定规则，比如：附加条件可以为开锁时间范围，开锁次数等等，如此可以实现在特定时间段，在一定次数内，某个智能钥匙才能对相应的智能锁进行开锁，管理更方便、灵活。

Claims (3)

1.智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在智能钥匙插入智能锁后，智能钥匙向智能锁进行非接触式传能；

b.智能锁获得传能后向智能钥匙发送自身ID号；

c.智能钥匙获得智能锁的ID号，并调用本地存储的权限表进行判断，如果该智能锁具符合解锁条件，则向该智能锁发送智能钥匙的ID号，进入步骤d,如果该智能锁具不符合解锁条件，则进入步骤h；

d.智能锁获得智能钥匙的ID号，并调用本地存储的权限表进行判断，如果判断该智能钥匙具备解锁权限，则向智能钥匙发送允许解锁数据包，进入步骤e，如果判断该智能钥匙不具备解锁权限，则向智能钥匙发送拒绝解锁数据包，进入步骤h；

e.智能钥匙在获得允许解锁数据包后向智能锁发送解锁授权码；

f.智能锁获得解锁授权码并进行判断，如果判断该解锁授权码为合法授权，则发送准备解锁数据包到智能钥匙，并开始储能向其内部运动机构控制单元供电，控制解锁机构动作，解锁完成后，向智能钥匙发送解锁结果；如果判断该解锁授权码为非法授权，则向智能钥匙发送拒绝解锁数据包，进入步骤h；

g.智能钥匙停止传能，提示解锁成功，解锁流程结束；

h.智能钥匙停止传能，提示解锁失败，解锁流程结束。

2.如权利要求1所述智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，其特征在于，在步骤c中，智能钥匙本地存储的权限表中包括与该智能钥匙对应的智能锁的ID号的黑名单和白名单，如果判断某个智能锁的ID号不在黑名单，且在白名单中，则该智能锁符合解锁条件，如果判断某个智能锁的ID号在黑名单，或不在白名单中，则该智能锁不符合解锁条件。

3.如权利要求1或2所述智能锁与智能钥匙之间的双向交互控制方法，其特征在于，在步骤d中，智能锁本地存储的权限表中包括与该智能锁对应的智能钥匙的ID号的黑名单和白名单，如果判断某个智能钥匙的ID号不在黑名单，且在白名单中，则该智能钥匙具备解锁权限，如果判断某个智能钥匙的ID号在黑名单，或不在白名单中，则该智能钥匙不具备解锁权限。