CN103985177A - 基于受限交互的被动式智能锁系统 - Google Patents

Abstract

一种基于受限交互的被动式智能锁系统，包括智能锁基站和智能钥匙，智能锁基站安装在门上，智能锁基站包括基站主控模块、触发模块、低频发送模块及低频发送天线、高频接收模块及高频接收天线、电机驱动模块和辅助信号发送模块；智能钥匙包括钥匙主控模块、低频接收模块及低频接收天线、高频发送模块及发送天线；辅助信号发送模块的发送方向和区域为门外；智能钥匙还包括用于监测当前区域是否有辅助信号的辅助信号接收模块和用于根据是否有辅助信号判定当前钥匙位置且选择性地判定是否满足ID发送条件的辅助条件判断模块，辅助条件判断模块与钥匙主控模块连接。本发明有效区分钥匙位于门内还是门外、安全性良好。

Description

基于受限交互的被动式智能锁系统

技术领域

本发明涉及一种智能锁系统，尤其是智能电子锁。

背景技术

PKE是英文Passive keyless entry的缩写，中文一般译为被动式无钥匙进入系统。这种技术设计的初衷是使用户只需随身携带一个电子钥匙,不需按就可以进入目标系统。与RKE的单向通信不同，PKE应用的是双向通信的原理，通过射频信号来验证电子钥匙的身份以提高安全性。

传统PKE智能锁的工作过程为：

1、唤醒：当用户携带智能钥匙出现智能锁基站的检测范围时，智能锁基站发出低频信号，如果这个信号与智能钥匙内存储的标记唤醒的数据相匹配，钥匙就会被唤醒。智能钥匙内设计有“唤醒”监测模块(低频唤醒天线及低频唤醒模块)，可保证智能钥匙长期处于低功耗状态仅在唤醒后主控制模块才进入正常工作，从而有效延长电池的使用时间。智能钥匙中通常会使用三维全向天线确保钥匙不同的姿态下收到“唤醒”信号。

2、验证：智能钥匙被唤醒后，它会根据一定的算法计算出一个加密的ID数据通过高频信号发送回智能锁基站，智能锁基站高频接收天线和接收模块接收到数据后发送给它的控制模块，控制模块根据对应的算法对接收到的加密ID进行解密，如果解密后的数据与预先存储的数据匹配成功，就会开启门锁。

在PKE的整个工作过程中，有高频和低频2种无线信号，为了提高通信的效率通常对发送和接收天线都设计比较高的增益。这2种类型的发送和接收天线的辐射范围通常是全向的(球形)，也就是说在以基站天线为半径的球形范围内接收天线都可以成功的接收到来自各个方向的高频信号。对于通信系统来说这样的全向天线发送和接收的效果最好。但在智能锁系统中，基站高频和低频天线的这种全向特点却会导致在门的内部也有一个接收信号的辐射场，这将导致在门内的钥匙也能接收到唤醒信号，在门内被唤醒后的智能钥匙发送的高频信号也能被智能锁基站天线接收到。这对智能锁的使用提出了安全性的问题。目前也有通过多个低频发送天线发送低频信号，钥匙通过判断不同低频天线发送的信号强度判断自己离相应低频天线的距离，从而判断出自己的位置。但在智能锁系统中，这样由于天线之间的距离不能设计的很近，直接导致钥匙判断的精度要求极为苛刻，很难在实际中得到应用。

发明内容

为了克服已有智能锁系统的无法有效区分钥匙位于门内还是门外、安全性较差的不足,本发明提供了一种有效区分钥匙位于门内还是门外、安全性良好的基于受限交互的被动式智能锁系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于受限交互的被动式智能锁系统，包括智能锁基站和智能钥匙，所述智能锁基站安装在门上，其中，所述智能锁基站包括基站主控模块、触发模块、低频发送模块及低频发送天线、高频接收模块及高频接收天线和电机驱动模块；所述智能钥匙包括钥匙主控模块、低频接收模块及低频接收天线、高频发送模块及发送天线；

所述智能锁基站还包括辅助信号发送模块，所述辅助信号发送模块的发送方向和区域为门外；所述智能钥匙还包括用于监测当前区域是否有辅助信号的辅助信号接收模块和用于根据是否有辅助信号判定当前钥匙位置且选择性地判定是否满足ID发送条件的辅助条件判断模块，所述辅助信号接收模块与辅助条件判断模块连接，所述辅助条件判断模块与所述钥匙主控模块连接。

进一步，所述辅助信号发送模块为超声波发送模块，所述辅助信号接收模块为超声波接收模块。该处为一个优选的方案，当然，也可以采用其他辅助信号，只要该辅助信号发送后覆盖了门外区域，同时屏蔽了门内区域即可。

再进一步，所述智能锁基站中，所述触发模块接收到用户触发开锁信号后，唤醒基站主控模块进入通信状态，基站主控模块控制低频发送模块通过低频发送天线发送无线低频唤醒信号，高频接收模块等待接收智能钥匙返回的高频无线信号；同时所述辅助信号发送模块发送辅助信号；

所述智能钥匙中，所述低频接收模块及低频接收天线收到无线低频唤醒信号后，唤醒所述钥匙主控模块，钥匙主控模块首先查询辅助条件判断模块是否满足ID发送条件，若满足发送条件，则控制高频发送模块通过高频发送天线发送无线高频ID信号到智能锁基站；若不满足发送条件，则不发送高频ID信号到智能锁基站；

智能锁基站的高频接收模块通过高频接收天线接收到智能钥匙返回的无线高频ID信号后，对ID进行匹配认证，认证通过后控制电机驱动模块开启智能锁。

更进一步，若智能锁在设定的时间内没有收到合法的无线高频ID信号，则进入低功耗状态，等待再次被唤醒。

所述辅助信号发送模块与所述基站主控模块连接。所述辅助信号发送模块也可以单独设置，也可以与所述基站主控模块连接。

所述辅助信号接收模块、所述辅助条件判断模块与所述钥匙主控模块集成在一块控制板上。也可以选择将所述辅助信号接收模块、所述辅助条件判断模块与所述钥匙主控模块分别单独设置。

本发明的技术构思为：在智能锁的基站端设计辅助信号发送模块，在PKE系统被触发时同时发送辅助信号，该辅助信号只能在门的正面被接收到，门背后无法接受。在智能钥匙中设计一个辅助条件判断模块，在被低频信号唤醒后尝试识别辅助信号，只有在信号被成功识别后才能发送ID。由于辅助信号被限制在门前的有限距离内，所以智能钥匙只能在门前该区域实现正常的PKE通信功能，从而实现了门前开锁门后禁止的功能。

本发明选择了超声波发送模块作为智能锁基站的辅助信号发送模块，在智能钥匙上，增加一个超声波接收模块来监测当前区域是否有超声波的发送信号。

本发明的有益效果主要表现在：有效区分钥匙位于门内还是门外、安全性良好。

附图说明

图1是智能锁的基本功能框图。

图2是电机驱动电路实例。

图3是高频接收模块的尺寸与原理图。

图4是传统智能锁基站的工作流程图。

图5是传统智能钥匙的工作流程。

图6是超声波发送模块的尺寸图。

图7是超声波发送模块的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种基于受限交互的被动式智能锁系统，包括智能锁基站和智能钥匙，所述智能锁基站安装在门上，其中，所述智能锁基站包括基站主控模块11、触发模块12、低频发送模块13及低频发送天线14、高频接收模块15及高频接收天线16和电机驱动模块17；所述智能钥匙包括钥匙主控模块21、低频接收模块22及低频接收天线23、高频发送模块24及高频发送天线25；

所述智能锁基站还包括辅助信号发送模块18，所述辅助信号发送模块18的发送方向和区域为门外，所述智能钥匙还包括用于监测当前区域是否有辅助信号的辅助信号接收模块和用于根据是否有辅助信号判定当前钥匙位置且选择性地判定是否满足ID发送条件的辅助条件判断模块26，所述辅助信号接收模块与辅助条件判断模块连接26，所述辅助条件判断模块26与所述钥匙主控模块21连接。

进一步，所述辅助信号发送模块18为超声波发送模块，所述辅助信号接收模块为超声波接收模块。该处为一个优选的方案，当然，也可以采用其他辅助信号，只要该辅助信号发送后覆盖了门外区域，同时屏蔽了门内区域即可。

图1是一个典型的PKE智能锁系统。它的设计方案是设计一个智能锁基站端和相应的智能钥匙。智能基站端采用一个微控制模块作为主控模块11，这种微控制器可以是性能较低的8位单片机(如8051)，也可以是性能较高的16位或32位处理器(如ARM)，具备编程能力并具有低功耗的特征。开发者通过开发相应的软件实现智能锁基站的基本功能。

主控模块11的引脚连接触发模块12。触发模块的作用是感知智能锁系统被外部触发，唤醒处于低功耗状态的主控模块进入工作状态。触发模块有多种实施实例：1、采用机械按键的方式，当用户按下按键时，电平信号传导到主控模块11，主控模块引脚产生中断唤醒系统；2、采用触摸按键的方式，通过感应用户人体或手与触摸键盘产生的电容，引发系统中断；3、采用近距离感应的方式，当用户人体或手靠近时引发系统中断；4、通过红外等感应的方式，产生系统中断。

低频发送模块13是一个产生低频无线信号的模块，典型的低频频率是125KHz。通常通过芯片内部PWM引脚产生一个频率为125K的方波，然后通过一个三极管控制该载波调制到低频天线上，三极管导通和关闭将实现该基准载波在天线上和不在天线上，从而实现信号0和1的发送。编码方式通常采用曼彻斯特编码。低频天线由并联的电阻、电容和电感组成。为了达到最优低频接收灵敏度，电感和电容谐振频率要达到125KHz。

高频接收模块15采用传统超外差或超再生的设计方法，主频设计在315MHz、433MHz、868MHz、965MHz和2.4GHz等民用的公开无线频段。本实施例建议购买现成的无线模块降低设计难度，这里以深圳市无线佳企提供的GW-R10DL低电压低功耗超外差接收模块为例说明原理，其模块的尺寸图和原理图如图3所示。它采用SWA本振，性能稳定，使用温度范围广泛，供电电压为3V，接收功耗仅为1mA，可适用于250-450MHz的各个频点的通信。接收天线采用1.4波长的单振子天线。

智能锁基站的主控模块在认证通过后，电机控制模块17发送电平信号给电机，驱动电机开锁。典型的电机驱动芯片采用L9110，它是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降。

智能钥匙的低频接收模块22连接低频天线23，为了获得良好的接收效果，低频天线通常采用3轴低频天线。典型的低频接收模块采用PIC16F639内部的模拟前端模块(AFE)，3个天线连接引脚分别为LX、LY、LZ。通过连接3个分别指向x轴、y轴、z轴的天线，智能钥匙可以随时接收来自任何方向的信号，从而降低由天线的方向性而造成信号丢失的可能性。在此系统中，3个方向的低频天线23采用PREMO公司设计的集成天线模块，该天线模块体积小、精度高，电感值在出厂时已经配置好，只需要配合对应通道的电容便可使用。

智能钥匙高频发送模块24采用与智能锁基站对应频率的高频发送电路。图4给出了一个典型的高频发送电路原路图，它通过主控模块PIC16F639产生一个PWM信号并与一个声表面滤波器(SAW)连接在一起构成一个谐波振荡电路，实施例中是一个433MHz的声表面滤波器。

图4给出了一个典型的PKE智能锁基站的工作流程。在通常状态下，智能锁基站处于低功耗状态。当外部触发模块接收到人体感应的信号后，产生中断信号唤醒智能锁基站的主控模块。主控模块被唤醒后发送低频唤醒信号给智能钥匙，并等待智能钥匙返回的高频ID信号。如果在规定的时间内收到高频信号后，对接收到的ID进行解码，然后与系统中存储的合法钥匙ID进行比较，如果比较合法，则开锁；如果ID比较不合法，则不开锁。在等待高频的过程中，如果在规定时间内没有接收到有效的ID信号(低频覆盖区域内无钥匙)，则进行重发。如果重发的次数已经达到最大重发次数，则进入低功耗状态。

图5显示智能钥匙的工作流程。在低频感应区域内的智能钥匙感应到唤醒信号后，从低功耗状态退出，并检查发送过来的低频唤醒信号是否合法。如果当前接收的低频信号合法，则通过高频模块发送加密的ID；如果当前接收的低频信号不合法，则不发送加密的ID。智能钥匙仅在被唤醒后工作在正常模式下，平时都处于低功耗状态，所以它能够实现在纽扣电池工作下使用时间大于1年。

本实施例的方案，在传统的智能锁基站增加辅助信号发送模块和在传统的智能钥匙上增加辅助条件判断模块的受限交互的被动智能锁系统具体包括：

智能锁基站，包括但不限于基站主控模块11、触发模块12、低频发送模块13及低频发送天线14、高频接收模块15及高频接收天线16、电机驱动模块17和辅助信号发送模块18。

智能钥匙，包括钥匙主控模块21、低频接收模块22及低频接收天线23、高频发送模块24、高频发送天线25和辅助条件判断模块26。

智能锁基站的触发模块17接收到用户触发开锁信号后，唤醒基站主控模块11进入通信状态，基站主控模块11控制低频发送模块13通过低频发送天线14发送无线低频唤醒信号，智能锁的高频接收模块15等待接收智能钥匙返回的高频无线信号。智能锁基站的辅助信号发送模块18发送被智能钥匙中的辅助信号接收模块接收，并被辅助条件判断模块26识别的辅助信号。

智能钥匙的低频接收天线23和低频接收模块22收到无线低频唤醒信号后，唤醒钥匙的主控模块21，钥匙的主控模块21首先查询辅助条件判断模块26是否满足ID发送的条件。若满足发送条件，则控制高频发送模块通过高频发送天线24发送无线高频ID信号到智能锁基站。若不满足发送条件，则不发送高频ID信号到智能锁基站。

智能锁基站的高频接收模块15通过高频天线16接收到智能钥匙返回的高频信号后，对ID进行匹配认证，认证通过后控制电机驱动模块开启智能锁。若智能锁在设定的时间内没有收到合法的高频ID信号，则进入低功耗状态，等待再次被唤醒。

本实施例中，在智能锁基站增加辅助信号发送模块和在智能钥匙上增加辅助条件判断模块，通过增加特定的条件判断来限制智能钥匙发送ID信号。为了达到让智能钥匙能够在门前成功接收辅助信号，而在门后无法接收辅助信号，要求发送的辅助信号必须具有较强的定向能力。在实施例中，我们选择了超声波发送模块作为智能锁基站的辅助信号发送模块。TCT40-16T/R1压电陶瓷超声传感器，它的物理尺寸如图6所示，它的辐射方向性如图7所示。智能锁基站在端通过控制TCT40-16T/R1的输出将电能转化成特定频率的超声波，发送到门前的有限区域中去。

在智能钥匙上，增加一个超声波接收模块来监测当前区域是否有超声波的发送信号。如果智能钥匙的尺寸没有限制，可使用TCT40-16T/R1压电陶瓷超声传感器将声波能转换成电能，然后通过智能钥匙的主控模块的A/D采用模块实施采样，判断是否有特定频率的超声波接收到。如果发现接收到了该特定频率的超声波，则发送相应的ID，如果没有则表示有可能钥匙在门内，不在发送ID。若智能钥匙的尺寸比较小，则可以选择采用微电机麦克风芯片(MEMS)，注意该微电机麦克风必须具备良好超声频率响应特性。通过麦克风采样当前空间中的声波，并对采样的数据进行变换和滤波，判断是否有特定频率的超声波在传输，若有则说明在有效的区域内，发送ID；若没有则说明在无效区域内，不发送ID。

Claims (6)

1.一种基于受限交互的被动式智能锁系统，包括智能锁基站和智能钥匙，所述智能锁基站安装在门上，其中，所述智能锁基站包括基站主控模块、触发模块、低频发送模块及低频发送天线、高频接收模块及高频接收天线和电机驱动模块；所述智能钥匙包括钥匙主控模块、低频接收模块及低频接收天线、高频发送模块及高频发送天线；其特征在于：

所述智能锁基站还包括辅助信号发送模块，所述辅助信号发送模块的发送方向和区域为门外；

所述智能钥匙还包括用于监测当前区域是否有辅助信号的辅助信号接收模块和用于根据是否有辅助信号判定当前钥匙位置且选择性地判定是否满足ID发送条件的辅助条件判断模块，所述辅助信号接收模块与辅助条件判断模块连接，所述辅助条件判断模块与所述钥匙主控模块连接。

2.如权利要求1所述的基于受限交互的被动式智能锁系统，其特征在于：所述辅助信号发送模块为超声波发送模块，所述辅助信号接收模块为超声波接收模块。

3.如权利要求1或2所述的基于受限交互的被动式智能锁系统，其特征在于：所述智能锁基站中，所述触发模块接收到用户触发开锁信号后，唤醒基站主控模块进入通信状态，基站主控模块控制低频发送模块通过低频发送天线发送无线低频唤醒信号，高频接收模块等待接收智能钥匙返回的高频无线信号；同时所述辅助信号发送模块发送辅助信号；

所述智能钥匙中，所述低频接收模块及低频接收天线收到无线低频唤醒信号后，唤醒所述钥匙主控模块，钥匙主控模块首先查询辅助条件判断模块是否满足ID发送条件，若满足发送条件，则控制高频发送模块通过高频发送天线发送无线高频ID信号到智能锁基站；若不满足发送条件，则不发送高频ID信号到智能锁基站；

智能锁基站的高频接收模块通过高频接收天线接收到智能钥匙返回的无线高频ID信号后，对ID进行匹配认证，认证通过后控制电机驱动模块开启智能锁。

4.如权利要求3所述的基于受限交互的被动式智能锁系统，其特征在于：若智能锁在设定的时间内没有收到合法的无线高频ID信号，则进入低功耗状态，等待再次被唤醒。

5.如权利要求1或2所述的基于受限交互的被动式智能锁系统，其特征在于：所述辅助信号发送模块与所述基站主控模块连接。

6.如权利要求1或2所述的基于受限交互的被动式智能锁系统，其特征在于：所述辅助信号接收模块、所述辅助条件判断模块与所述钥匙主控模块集成在一块控制板上。