CN103440697A

CN103440697A - 光控门禁方法

Info

Publication number: CN103440697A
Application number: CN2013104065481A
Authority: CN
Inventors: 邓健志
Original assignee: Guilin University of Technology
Current assignee: Guilin University of Technology
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: CN103440697B

Abstract

本发明公开了一种光控门禁方法。包括：光钥匙、光控锁。光钥匙包括：光发射模块、光钥匙控制模块、三相开关。光控锁包括：光接收模块、判决模块、光锁控制模块、锁受控模块。光控门禁的数据，以数据帧的形式收发。数据帧包括：开锁帧、改密帧、复位帧。光钥匙在开锁模式下采用差分曼彻斯特编码调制。数据帧以高速闪烁的信息光束形式循环发送传播。光控锁感应接收携带数据的信息光束，并根据约定的规则转换成对应的数据帧，根据数据帧修改、复位、验证密码，控制光控锁的开闭。光控锁对判决输出电信号频率进行预采样，以适应不同的手机光钥匙。本发明提高了门禁的通用性、安全性。

Description

光控门禁方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别是一种光控门禁方法。

背景技术

可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是利用可见光作为信息载体，在空气中直接传输光信号的通信方式。LED通信是用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发出的高速调制光波信号来对信息调制和传输，然后利用光电二极管等器件接收光载波信号以获得信息。一个可见光LED通信系统，分为光信号发射和光信号接收两部分。在发射端，信源信号被转换成便于光信道传输的电信号，再调制成光载波强度变化的LED光信号。在接收端，能对信号光源进行接收技术，并将光信号还原成电信号输出。

目前，无线门禁系统主要采用无线射频技术，该技术有很好的穿透性，然而这一特性又使得无线射频信号容易被电磁干扰，被截获复制，造成开锁的信息泄漏而导致财产损失。

可见光不受电磁干扰、不具穿透性，因而具有很多的安全性。将可见光技术用于门禁的设计制作有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光控门禁方法，提高了门禁的通用性、安全性。

具体步骤为：

一、建立一个光控门禁系统，包括：光钥匙、光控锁。

光钥匙包括光发射模块、光钥匙控制模块和三相开关。光钥匙采用专用的电路设计制作或采用带有闪光灯的手机、平板电脑。

光发射模块用于将开锁的电信号转换成光信号，并以信息光束形式发送出去。光发射模块，采用发光二极管进行电光转换。光钥匙控制模块用于根据约定的编码规则将数据生成开锁电信号，控制光发射模块工作。三相开关用于选择钥匙的三种状态：照明、开锁和关闭。

光钥匙包括两个工作模式：照明、开锁。

光控锁包括：光接收模块、判决模块、光锁控制模块、锁受控模块。

光接收模块用于感应接收携带了数据的信息光束，并转化为相应的模拟电信号。光接收模块，采用光电二极管进行光电转换；判决模块用于判定光接收模块输出的模拟电信号，并转换成对应的数字电信号；光锁控制模块用于根据判决模块输出的数字电信号，并根据约定的解码规则将数字信号还原成数据，并判断该数据是否为有效，并根据数据修改密码、复位密码或者控制锁受控模块开闭光控锁。

光控门禁系统的数据，以数据帧的形式收发。

数据帧类型包括开锁帧、改密帧和复位帧；数据帧包括6个字段：帧头、数据类型、数据A长度、数据A、数据B长度和数据B。

帧头字段用于表示一帧数据的开始，并用于时钟同步；数据类型用于表示数据帧的类型及作用；数据A长度字段用于指示数据A字段的长度；数据B长度字段用于表示数据B字段长度。

数据帧的各数据码采用二进制数，即″0″和″1″，并采用差分曼彻斯特编码进行调制；在差分曼彻斯特编码规则中，每一位数据码的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″。

为了便于光控锁的自适应识别，光钥匙处理发送数据帧时，在每出现4位连续的″1″后补1个″0″；该补上的″0″在光控锁接收处理数据时删除。

数据帧以高速闪烁的信息光束形式传播。

发光二极管″亮″表示数据码的高电平，″灭″表示数据码的低电平。

光钥匙在照明模式下，光钥匙控制模块不工作，仅仅点亮照明发光二极管。

将光钥匙在开锁模式下，光钥匙控制模块根据数据帧，采用差分曼彻斯特编码方式生成开锁电信号，并向光发射模块循环发送该信号，控制光发射模块的发光二极管″亮、灭″闪烁。

二、将光钥匙的三相开关置于开锁模式；在开锁模式下，光钥匙控制模块将用差分曼彻斯特编码方式做了调制的数据帧生成开锁电信号，并向光发射模块循环发送该信号，控制光发射模块的发光二极管的″亮″、″灭″闪烁。其中，数据帧格式如上所述。同时，在数据帧中每出现4位连续的″1″的后面补1个″0″；经过补“0”处理的数据帧，以高速闪烁的信息光束形式循环发送，发送数据帧的一个数据码周期为T。

三、用光接收模块感应接收携带了数据的信息光束，并转化为相应的模拟电信号；判决模块再将输入的模拟电信号转换成对应的数字电信号；光锁控制模块根据判决模块的输出信号识别判定接收的数字电信号，并根据约定的解码规则将数字信号还原成数据帧，并判断该数据帧是否为有效，并根据数据帧修改密码、复位密码或者控制锁受控模块开闭光控锁。

由于光钥匙除了采用专用的电路设计制作，还能采用带有闪光灯的手机、平板；而每款手机、平板所使用的微控制器主频不一样，基于通用性考虑，首先要对判决模块输出的电信号进行预采样，得到发送信号的频率T。

预采样原理：根据差分曼彻斯特编码方式可知，若假设一个数据码的持续周期T，则每位数据码中间，即T/2处有一个电压跳变；如在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″；如果，下一位数据为″0″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平；如果，下一位数据为″1″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平。

光锁控制模块的预采样流程：

步骤Y1：以光锁控制模块最快的采样频率f₀对判决输出信号进行采样,检测是否为高电平。

步骤Y2：如果为高电平，开始以频率f₀采样检测低电平，进入步骤Y3；如果不是高电平，则继续检测高电平。

步骤Y3：如果为低电平，则重新开始计时t₀，并同时开始以频率f₀采样检测高电平，进入步骤Y4；如果不是低电平，则继续检测低电平，直至t₀计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y4：如果为高电平，则说明为有效数据输入，就进入步骤Y5的循环检测；如果不是高电平，则继续检测高电平，直至t₀计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y5：循环检测，开始N（N大于2）次循环，检测输入电平：

步骤Y5.1：计时Δt_2i+1，并以f₀进行采样，循环检测是否为低电平。如果为低电平则进入步骤Y5.2。否则，继续检测低电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y5.2：如果为低电平，则计时Δt_2i+2，并继续以频率f₀进行采样，循环检测是否为高电平，如果为高电平则进入步骤Y5的下一次循环。否则，继续检测高电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y6：循环结束后，根据Δt_2i+2、Δt_2i+1，推算出一位数据码的持续时间T。

步骤Y7：返回时间T。

光锁控制模块的主流程：

步骤Z1：对判决模块的输出电平进行预采样，计算出光钥匙发送一个数据码周期T；

步骤Z2：以周期t＜(T/2)对判决模块的输出信号进行采样，根据数据帧格式扫描数据帧头。如果检测到数据帧头，则开始记录数据帧，直到检测到下一个数据帧头，或者检测到持续的高电平或者低电平；

步骤Z3：检测数据帧类型字段，如果为开锁模式，进入步骤Z4；如果为改密模式，进入改密流程；如果为复位模式，进入复位流程；如果为其他数值，则直接退出，结束程序。

步骤Z4：根据数据A长度字段的值N1，读出接收到密码数据的二进制序列；

步骤Z5：将读出的该二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，则由控制电路带动受控装置将锁开启；否则，将保持锁关闭并关闭电路。

改密流程：

步骤G1：根据数据A长度字段值N1，读出接收到原密码数据的二进制序列；

步骤G2：将原密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，进入步骤G3；如果比对不一致，则关闭锁并退出。

步骤G3：根据数据B长度字段值N2，读出接收到新密码数据的二进制序列，并存入光锁控制模块。

复位流程：

步骤F1：根据数据A长度字段值N1，读出接收到复位密码数据的二进制序列；

步骤F2：将该接收到的复位密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的复位密码进行比对。如果比对一致，进入步骤F3；如果比对不一致，则关闭锁并退出。

步骤F3：根据数据B长度字段值N2，读出接收到初始密码数据的二进制序列，并存入光锁控制模块。

本发明提高了门禁的通用性、安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构框图。

图2为本发明实施例光锁控制模块的预采样流程图。

图3为本发明实施例光锁控制模块的主流程图。

图4为本发明实施例光锁控制模块的改密流程图。

图5为本发明实施例光锁控制模块的复位流程图。

图中标记：1-光发射模块；2-光钥匙控制模块；3-三相开关；4-光接收模块；5-判决模块；6-光锁控制模块；7-锁受控模块；8-信息光束；9-手机；10-闪光灯。

具体实施方式

实施例：

一、建立建立以个光控门禁系统，包括：光钥匙、光控锁。

光钥匙包括：光发射模块1、光钥匙控制模块2和三相开关3，将带有闪光灯10的手机9用做光钥匙；光发射模块1的功能用手机9的闪光灯实现。

其中，光发射模块1用于将开锁的电信号转换成光信号，并以信息光束发送出去。光发射模块1，采用发光二极管进行电光转换。光钥匙控制模块2用于生成开锁电信号，控制光发射模块1工作。三相开关3用于选择钥匙的三种工作状态：照明、开锁、关闭。

光控锁包括：光接收模块4、判决模块5、光锁控制模块6、锁受控模块7。

光接收模块4用于感应接收携带了数据的信息光束8，并转化为相应的模拟电信号。光接收模块4，采用光电二极管进行光电转换。判决模块5用于判定转换输入的模拟电信号，并转换成对应的数字电信号。光锁控制模块6用于根据输入的信号识别判定接收的数字电信号，并根据约定的解码规则将数字信号还原成数据帧，并判断该数据帧是否为有效，并根据数据帧修改密码、复位密码或者控制锁受控模块7开闭光控锁。

数据帧类型包括：开锁帧、改密帧、复位帧。

数据帧格式，包括6个字段：帧头、数据类型、数据A长度、数据A、数据B长度、数据B。数据帧格式如下表：

表1：数据帧格式表

帧头

数据类型

数据A长度

数据A

数据B长度

数据B

开锁帧

10101100

001

00001000

8位密码

空

改密帧

10101100

010

00001000

旧8位密码

00010010

新10位密码

复位帧

10101100

100

00001000

8位复位密码

00001000

8位初始密码

无效帧

10101100

其他

XXXXXXX

XXXXX

XXXXXX

XXXXXXX

数据帧的数据码采用二进制数表示，即″0″和″1″，数据码采用差分曼彻斯特编码表示。在差分曼彻斯特编码中，每一位数据码的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″。

此外，为了便于光控锁的自适应识别，光钥匙处理发送数据帧时，在每出现4位连续的″1″后补1个″0″。该补上的″0″在光控锁记录数据帧时删除。

数据帧以高速闪烁的信息光束形式传播。

发光二极管″亮″表示数据码的高电平，发光二极管″灭″表示数据码的低电平。

光钥匙在照明模式下，光钥匙控制模块2不工作，仅仅点亮照明发光二极管。

将光钥匙在开锁模式下。光钥匙控制模块2根据数据帧，采用差分曼彻斯特编码方式生成开锁电信号，并向光发射模块1循环发送该信号，控制光发射模块1的发光二极管″亮、灭″闪烁。

二、将光钥匙的三相开关置于开锁模式。在开锁模式下，光钥匙控制模块2将采用差分曼彻斯特编码方式做了调制处理的数据帧生成开锁电信号，并向光发射模块1循环发送该信号，控制光发射模块1的发光二极管的″亮″、″灭″闪烁。其中，数据帧格式如上所述。同时，在数据帧中每出现4位连续的″1″的后面补1个″0″。

经过补“0”处理的数据帧，以高速闪烁的信息光束8形式循环发送，发送数据帧的一个数据码周期为T。

三、用光接收模块1感应接收携带了数据的信息光束8，并转化为相应的模拟电信号。判决模块5再将输入的模拟电信号转换成对应的数字电信号。光锁控制模块5根据判决模块5的输出信号识别判定接收的数字电信号，并根据约定的编码规则将数字信号还原成数据帧，并判断该数据帧是否为有效，并根据数据帧修改密码、复位密码或者控制锁受控模块7开闭光控锁。

由于光钥匙除了采用专用的电路设计制作，采用带有闪光灯10的手机9。而每款手机所使用的微控制器主频不一样，所以基于通用性考虑，首先要对判决模块5输出的电信号进行预采样，得到信号的频率T。

预采样原理：在差分曼彻斯特编码中，每一位数据码的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″。

根据差分曼彻斯特编码方式可知，若假设一个数据码的持续周期T，则每位数据码中间，即T/2处有一个电压跳变。如在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″。如果，下一位数据为″0″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平。如果，下一位数据为″1″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平。

光锁控制模块6的预采样流程如下：

步骤Y1：以最快的采样频率f0对判决输出信号进行采样,检测是否为高电平。

步骤Y2：如果为高电平，则开始计时t0，并同时开始以频率f0采样检测低电平；如果不是，则继续检测高电平。

步骤Y3：如果为低电平，则重新开始计时t0，并同时开始以频率f0采样检测高电平；如果不是，则继续检测高电平，直至t0计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y4：如果为高电平，则说明为有效数据输入，就进入步骤Y5的循环检测；如果不是，则继续检测高电平，直至t0计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y5：循环检测，开始6次循环，检测输入电平。（其中，i为循环变量，初值为0，每次循环i+1，i小于6）：

步骤Y5.1：计时Δt_2i+1，并以f0进行采样，循环检测是否为低电平。如果为低电平则进入步骤5.2。否则，继续检测低电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y5.2：如果为低电平，则计时Δt_2i+2，并继续以频率f0进行采样，循环检测是否为高电平，如果为高电平则进入步骤5的下一次循环。否则，继续检测高电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程。

步骤Y6：循环结束后，根据Δt_2i+2、Δt_2i+1，推算出一位数据的持续时间T。

步骤Y7：返回时间T。

光锁控制模块6的主流程：

步骤Z3：检测数据帧类型字段，如果为开锁模式，进入步骤Z9；如果为改密模式，进入改密流程；如果为复位模式，进入复位流程；如果为其他数值，则直接退出，结束程序。

步骤Z5：将将读出的该二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，则由控制电路带动受控装置将锁开启；否则，将保持锁关闭并关闭电路。

光锁控制模块6的改密流程：

步骤G2：将原密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，进入步骤G2；如果比对不一致，则关闭锁并退出。

光锁控制模块6的复位流程：

步骤F2：将该接收到的复位密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的复位密码进行比对。如果比对一致，进入步骤F2；如果比对不一致，则关闭锁并退出。

Claims

1.一种光控门禁方法，其特征在于具体步骤为：

一、建立一个光控门禁系统，包括：光钥匙、光控锁；

光钥匙包括光发射模块、光钥匙控制模块和三相开关；光钥匙采用专用的电路设计制作或采用带有闪光灯的手机、平板电脑；

光发射模块用于将开锁的电信号转换成光信号，并以信息光束形式发送出去；光发射模块，采用发光二极管进行电光转换；光钥匙控制模块用于根据约定的编码规则将数据生成开锁电信号，控制光发射模块工作；三相开关用于选择钥匙的三种状态：照明、开锁和关闭；

光钥匙包括两个工作模式：照明、开锁；

光控锁包括：光接收模块、判决模块、光锁控制模块、锁受控模块；

光接收模块用于感应接收携带了数据的信息光束，并转化为相应的模拟电信号；光接收模块，采用光电二极管进行光电转换；判决模块用于判定光接收模块输出的模拟电信号，并转换成对应的数字电信号；光锁控制模块用于根据判决模块输出的数字电信号，并根据约定的解码规则将数字信号还原成数据，并判断该数据是否为有效，并根据数据修改密码、复位密码或者控制锁受控模块开闭光控锁；

光控门禁系统的数据，以数据帧的形式收发；

数据帧类型包括开锁帧、改密帧和复位帧；数据帧包括6个字段：帧头、数据类型、数据A长度、数据A、数据B长度和数据B；

帧头字段用于表示一帧数据的开始，并用于时钟同步；数据类型用于表示数据帧的类型及作用；数据A长度字段用于指示数据A字段的长度；数据B长度字段用于表示数据B字段长度；

数据帧的各数据码采用二进制数，即″0″和″1″，并采用差分曼彻斯特编码进行调制；在差分曼彻斯特编码规则中，每一位数据码的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″；

为了便于光控锁的自适应识别，光钥匙处理发送数据帧时，在每出现4位连续的″1″后补1个″0″；该补上的″0″在光控锁接收处理数据时删除；

数据帧以高速闪烁的信息光束形式传播；

发光二极管″亮″表示数据码的高电平，″灭″表示数据码的低电平；

光钥匙在照明模式下，光钥匙控制模块不工作，仅仅点亮照明发光二极管；

将光钥匙在开锁模式下，光钥匙控制模块根据数据帧，采用差分曼彻斯特编码方式生成开锁电信号，并向光发射模块循环发送该信号，控制光发射模块的发光二极管″亮、灭″闪烁；

二、将光钥匙的三相开关置于开锁模式；在开锁模式下，光钥匙控制模块将用差分曼彻斯特编码方式做了调制的数据帧生成开锁电信号，并向光发射模块循环发送该信号，控制光发射模块的发光二极管的″亮″、″灭″闪烁；其中，数据帧格式如上所述；同时，在数据帧中每出现4位连续的″1″的后面补1个″0″；经过补“0”处理的数据帧，以高速闪烁的信息光束形式循环发送，发送数据帧的一个数据码周期为T；

三、用光接收模块感应接收携带了数据的信息光束，并转化为相应的模拟电信号；判决模块再将输入的模拟电信号转换成对应的数字电信号；光锁控制模块根据判决模块的输出信号识别判定接收的数字电信号，并根据约定的解码规则将数字信号还原成数据帧，并判断该数据帧是否为有效，并根据数据帧修改密码、复位密码或者控制锁受控模块开闭光控锁；

由于光钥匙除了采用专用的电路设计制作，还能采用带有闪光灯的手机、平板；而每款手机、平板所使用的微控制器主频不一样，基于通用性考虑，首先要对判决模块输出的电信号进行预采样，得到发送信号的频率T；

预采样原理：根据差分曼彻斯特编码方式可知，若假设一个数据码的持续周期T，则每位数据码中间，即T/2处有一个电压跳变；如在数据位开始时改变信号极性，表示逻辑″0″；在数据位开始时不改变信号极性，表示逻辑″1″；如果，下一位数据为″0″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平；如果，下一位数据为″1″，则在数据位开始时改变信号极性，会出现一个持续时间为T的高电平或者低电平；

光锁控制模块的预采样流程：

步骤Y1：以光锁控制模块最快的采样频率f₀对判决输出信号进行采样,检测是否为高电平；

步骤Y2：如果为高电平，开始以频率f₀采样检测低电平，进入步骤Y3；如果不是高电平，则继续检测高电平；

步骤Y3：如果为低电平，则重新开始计时t₀，并同时开始以频率f₀采样检测高电平，进入步骤Y4；如果不是低电平，则继续检测低电平，直至t₀计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程；

步骤Y4：如果为高电平，则说明为有效数据输入，就进入步骤Y5的循环检测；如果不是高电平，则继续检测高电平，直至t₀计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程；

步骤Y5.1：计时Δt_2i+1，并以f₀进行采样，循环检测是否为低电平；如果为低电平则进入步骤Y5.2；否则，继续检测低电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程；

步骤Y5.2：如果为低电平，则计时Δt_2i+2，并继续以频率f₀进行采样，循环检测是否为高电平，如果为高电平则进入步骤Y5的下一次循环；否则，继续检测高电平，直至计时超过设定值，就直接退出整个开锁流程；

步骤Y6：循环结束后，根据Δt_2i+2、Δt_2i+1，推算出一位数据码的持续时间T；

步骤Y7：返回时间T；

光锁控制模块的主流程：

步骤Z2：以周期t＜(T/2)对判决模块的输出信号进行采样，根据数据帧格式扫描数据帧头；如果检测到数据帧头，则开始记录数据帧，直到检测到下一个数据帧头，或者检测到持续的高电平或者低电平；

步骤Z3：检测数据帧类型字段，如果为开锁模式，进入步骤Z4；如果为改密模式，进入改密流程；如果为复位模式，进入复位流程；如果为其他数值，则直接退出，结束程序；

步骤Z5：将读出的该二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，则由控制电路带动受控装置将锁开启；否则，将保持锁关闭并关闭电路；

改密流程：

步骤G2：将原密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的密码进行比对，如果比对一致，进入步骤G3；如果比对不一致，则关闭锁并退出；

步骤G3：根据数据B长度字段值N2，读出接收到新密码数据的二进制序列，并存入光锁控制模块；

复位流程：

步骤F2：将该接收到的复位密码数据的二进制序列与光锁控制模块保存的复位密码进行比对；如果比对一致，进入步骤F3；如果比对不一致，则关闭锁并退出；