CN104063928A - 一种基于高频天线特征判别的智能锁系统 - Google Patents

Abstract

一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，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；所述智能锁基站还包括门外高频接收模块及门外高频接收天线、门内高频接收模块及门内高频接收天线，所述门外高频接收天线和门外高频接收天线均与所述高频发射天线配合。本发明有效区分钥匙位于门内还是门外、安全性良好。

Description

一种基于高频天线特征判别的智能锁系统

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、安全性良好的基于高频天线特征判别的智能锁系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，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；所述智能锁基站还包括门外高频接收模块及门外高频接收天线、门内高频接收模块及门内高频接收天线，所述门外高频接收天线和门外高频接收天线均与所述智能钥匙高频发射天线配合。

进一步，所述门外高频接收天线和门外高频接收天线均为半球面辐射天线，所述门外高频接收天线的辐射强度为门外强于门内，所述门内高频接收天线的辐射强度为门内强于门外。其中，所述门外高频接收天线和门外高频接收天线只要 是具有一定方向性的天线即可，也可以选用其他的天线。

更进一步，所述高频接收天线为PCB偶极天线。当然，也可以采用其他的半球面辐射天线。

更进一步，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，门内高频接收模块通过门内高频接收天线、门外高频接收模块通过门外高频接收天线等待接收位于门外的智能钥匙返回的高频无线信号；

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，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；

门外高频接收模块通过门外高频天线接收到智能钥匙返回的高频信号，门内高频接收模块通过门内高频天线接收到智能钥匙返回的高频信号，基站主控模块通过门外高频天线接收到的信号特征与门内高频天线接收到的信号特征比较，判断钥匙在门还还是门外，如果推断钥匙在门外，则对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；反之说明钥匙在门内，就不进行ID匹配与认证。

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。

如果门外高频天线接收到的信号强度高于门内高频天线的强度，推断钥匙在门外。该方式采用信号强度作为特征值进行比较，属于常用的方式；当然，也可以采用其他的特征值进行比较。

本发明的技术构思为：采用2根高频接收天线，分别对应2个高频接收模块， 基站主控模块分别从门外、门内2个高频接收模块中获得接收信号的强弱，如果门外高频模块接收信号的强度满足某种特定的关系(通常为大于)，则推断钥匙在门外，智能锁基站对接收信号进行ID认证，反之推断钥匙在门内，则不认证当前ID。

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，即有效解决智能钥匙在门内开锁的问题，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是门内高频接收模块和门外高频接收模块接收到信号的RSSI值的示意图。

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6，一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，包括智能锁基站和智能钥匙，智能锁基站包括基站主控模块31、触发模块32、低频发射模块33及低频天线34、门外高频接收模块35及门外高频接收天线36、电机驱动模块37，门内高频接收模块38及门内高频接收天线39；

智能钥匙包括钥匙主控模块21、低频接收模块22及低频天线23、高频发送模块24及高频发送天线25；

智能锁基站的触发模块37接收到用户触发开锁信号后，唤醒基站主控模块 31进入通信状态，基站主控模块31控制低频发射模块33通过低频天线34发送无线低频唤醒信号，智能锁的高频接收模块35等待接收智能钥匙返回的高频无线信号。

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控制高频发送模块通过高频天线24发送无线高频ID信号到智能锁基站。

智能锁基站的门外高频接收模块35通过门外高频天线36接收到智能钥匙返回的高频信号，门内高频接收模块35通过门内高频天线36接收到智能钥匙返回的高频信号，基站主控模块31判断门外和门内接收到的信号强度。如果门外高频天线接收到的信号强度高于门内高频天线的强度，推断钥匙在门外，则对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；反之说明钥匙在门内，就不进行ID匹配与认证。

智能锁基站被触发并发送低频唤醒信号后，在一定的时间间隔内门外、门内高频接收模块如果都没有收到智能钥匙返回的高频信号，则进入低功耗状态。

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。

基站主控模块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，电平信号传导到基站主控模块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。

本实施例中，采用门内门外双高频天线的智能锁基站实施实例，具体实施方案如下：

在无线传输系统中，RSSI(Received Signal Strength Indication)用于表征接收信号强度，目前通过接收到的信号强弱来测定信号点与接收点的距离的方法被广泛应用于定位系统中。在本实施实例中，高频接收模块需要选择能够检测RSSI值的高频RF接收芯片，主控模块能够分别读出门外高频模块与门内高频模块的RSSI值。通常情况下，高频发射模块与高频接收的距离越近，接收到的RSSI的值就越大，反之就越小。图6显示了一个在门外的智能钥匙，它发射的高频信号被门外的高频模块接收到的RSSI1的值通常高于被门内的高频模块接收到的RSSI2的值。所以在基站的主控模块设计中，若接收到的RSSI1的值大于RSSI2的值，推断钥匙在门外此时可对ID进行认证；反之则推断钥匙在门内就不再对ID进行认证。增加了这样的认证机制后，传统的PKE智能锁方案就有了门内门外定位的功能，安全级别有了很大的提升。

为了进一步提升门内、门外两个模块接收到RSSI的值的差别，高频接收天线可采用半球面辐射天线，其中门外高频接收天线的辐射范围为门外，门内高频接收天线的辐射范围为门内，这样可以显著的区分RSSI的值。

Claims (6)

1.一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，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门外高频接收模块及门外高频接收天线、门内高频接收模块及门内高频接收天线，所述门外高频接收天线和门外高频接收天线均与所述智能钥匙的高频发射天线配合。

2.如权利要求1所述的一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，其特征在于：所述门外高频接收天线和门外高频接收天线均为半球面辐射天线，所述门外高频接收天线的辐射强度为门外强于门内，所述门内高频接收天线的辐射强度为门内强于门外。

3.如权利要求2所述的一种基于高频天线特征判别的智能锁系统，其特征在于：所述高频接收天线为PCB偶极天线。

4.如权利要求1～3之一所述的基于高频天线特征判别的智能锁系统，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，门内高频接收模块通过门内高频接收天线、门外高频接收模块通过门外高频接收天线等待接收位于门外的智能钥匙返回的高频无线信号；

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，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；

门外高频接收模块通过门外高频天线接收到智能钥匙返回的高频信号，门内高频接收模块通过门内高频天线接收到智能钥匙返回的高频信号，基站主控模块通过门外高频天线接收到的信号特征与门内高频天线接收到的信号特征比较，判断钥匙在门还还是门外，如果推断钥匙在门外，则对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；反之说明钥匙在门内，就不进行ID匹配与认证。

5.如权利要求4所述的基于高频天线特征判别的智能锁系统，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。

6.如权利要求4所述的基于高频天线特征判别的智能锁系统，其特征在于：如果门外高频天线接收到的信号强度高于门内高频天线的强度，推断钥匙在门外。