CN105809791A - 一种基于可见光通信的门禁系统 - Google Patents

一种基于可见光通信的门禁系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的门禁系统，包括光钥匙模块和光控锁模块；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光电接收器上，通过比对信息来控制门锁的关闭和开启。该系统节能环保，安全性高，可以广泛的应用于宾馆、写字楼等应用场合。

Description

一种基于可见光通信的门禁系统
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其是一种基于可见光通信的门禁系统。
背景技术
众所周知，门禁系统是一种对出入口进行管理的系统。门禁系统的发展经历了一个很长的过程，从早期的机械门锁一直发展到现在基于无线射频的电子门锁。机械门锁是一个典型的纯粹的机械装置，不管设计的多么精巧，使用的材质多么的坚硬，人们总是可以通过外力把它打开。而且，机械门锁不方便进行钥匙的管理。在人流量较多的办公室、酒店等，如果有一个人丢失了钥匙，那么就要进行门锁的更换，十分麻烦。出于这些问题的考虑，人们研制了电子磁卡锁和电子密码锁。电子磁卡锁和电子密码锁能很好的解决了上面的问题，使门禁系统发展到了一个全新的高度。但是，它们也暴露出了很多缺点和问题。比如，电子磁卡锁的读卡机和卡片的磨损比较大，卡片上的开锁信息容易被复制，在安全方面有着很大的隐患。电子密码锁的在安全性方面的问题就更加的突出，由于它是基于无线技术，密码特别容易被泄露，安全问题不容忽视。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。
随着白光LED器件的发展，可见光通信技术得到了越来越多的重视。可见光无线通信系统主要由光信号发射端和光信号接收端组成。在发送端，电信号经放大、滤波等处理后，调制到LED器件上实现电光转换。在接收端，通过光电检测器实现光电转换，并经过相关信号处理单元还原出原始信息。
目前的无线门禁系统容易被电磁干扰，传输的方向不可控，密码容易被截获。然而可见光通信是一种点对点的传输模式，具有保密性好的优点。因此，可以将可见光通信技术与门禁技术相结合，具有广阔的运用前景。
发明内容
本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种节能环保，安全性高，可以广泛的应用于宾馆、写字楼等应用场合，将将可见光通信技术与门禁技术相结合的基于可见光通信的门禁系统。
为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：
一种基于可见光通信的门禁系统，包括光钥匙模块和光控锁模块；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光电接收器上，通过比对信息来控制门锁的关闭和开启；
所述光钥匙模块包括密钥控制模块、处理器模块、LED驱动模块、白光LED；所述密钥控制模块控制处理器模块产生秘钥信息，信号通过LED驱动模块，把信号加载到LED灯上。所述光控锁模块包括光电检测模块、信号处理模块、处理器模块、光锁受控模块，所述光电检测模块接收到光信号，对光信号进行处理，把信号送入处理器模块，处理器模块对密钥信息进行匹配检测，从而产生受控信号控制光锁的开启或闭合。
所述基于可见光通信的无线门禁系统采用STC12C2052AD高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现门锁的开启或关闭。
本技术方案中待发送密钥为TTL电平信号，即+5V表示高电平″1″，0V表示低电平″0″。由于STC12C2052AD单片机I/O口驱动能力有限，无法直接驱动LED实现密钥(TTL电平)信息发送。因此，需设计LED驱动电路实现电信号到光信号的转换。基于TTL信号电平特点，选用低成本、小体积PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，构成了LED驱动电路。
光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端。光钥匙可以发送不同的密钥，通过不同的密钥不仅可以打开门锁，还可以实现其他的功能。所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。
所述光锁受控模块包括光电接收模块、译码判决模块、处理器模块、光锁受控模块、电源模块；其中，光电检测器来接收携带数据信息的光束，通过光电转换把光信号转换成模拟电信号，通过前置放大模块对电信号进行放大，电信号经过译码判决模块，把模拟信号转换成数字信号，数字信号输入到处理器STC12C2052AD进行处理。
所述光电检测器为PIN光电二极管。成本较低，而且易于实现。
该发明的有益效果：
本发明中所述基于可见光通信的无线门禁系统采用STC12C2052AD高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现门锁的开启或关闭。和传统的51单片机相比，STC12C2052AD具有以下优点：(1)性价比高，STC12C2052AD的电路比较简单，价格相对比较低廉；(2)STC12C2052AD采用单时钟/机器周期的模式，一些指令的执行和51单片机相比，速度是51单片机的3～24倍；(3)对于传统51单片机编写的程序可以直接用于STC12C2052AD单片机，不需要重新进行编写程序。
光钥匙可以发送不同的密钥，通过不同的密钥不仅可以打开门锁，还可以实现其他的功能。所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。
附图说明
图1是基于可见光通信的门禁系统框图；
图2是处理器模块电路图；
图3是LED驱动电路图；
图4是人机交互电路图；
图5是电源电路；
图6是光电检测模块电路图；
图7是电压比较电路图；
图8是门锁及LED驱动电路；
图9是电压转化电路；
图10是反压电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于可见光通信的门禁系统作进一步详尽描述：
如图1所示，一种基于可见光通信的门禁系统，包括光钥匙模块和光控锁模块；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光电接收器上，通过比对信息来控制门锁的关闭和开启；所述光钥匙模块包括密钥控制模块、处理器模块、LED驱动模块、白光LED；所述密钥控制模块控制处理器模块产生秘钥信息，信号通过LED驱动模块，把信号加载到LED灯上。所述光控锁模块包括光电检测模块、信号处理模块、处理器模块、光锁受控模块，所述光电检测模块接收到光信号，对光信号进行处理，把信号送入处理器模块，处理器模块对密钥信息进行匹配检测，从而产生受控信号控制光锁的开启或闭合。
如图2所示，所述基于可见光通信的无线门禁系统采用STC12C2052AD高速单片机做为主控芯片，STC12C2052AD共有20个管脚，VCC(20管脚)和+5V电源相连，GND(10管脚)接参考低。处于设计方便的目的，其余管脚全部通过标号引出，相同标号表示两者之间具有相同的电气连接。C5，Y1，C6组成晶振电路，它产生单片机所需要的时钟频率。C1，R1组成复位电路和STC12C2052AD的Rst管脚(1管脚)相连接。下载接口与USB转TTL(PL2303/CH340)下载线相连，便于向单片机烧写程序时使用。
P3.0/RxD(2管脚)为串口数据的输入端I/O接口。
P3.1/TxD(3管脚)为串口数据输出端I/O接口。P3.2/INT0(管脚6)为外部中断0I/O口。P3.3/INT1(管脚7)为外部中断1I/O口。P3.4/T0(8管脚)为外计算器外部时钟输入脚/定时器和计数器0外部时钟输入I/O口。P3.5/T1(管脚9)为脉冲调制输出1/可编程门阵列输入脚/定时器和计数器1外部时钟输入I/O口。
P1.0～P1.7为标准I/O口/AD转换通道。
发射端电路信号主要是通过STC12C2052AD进行处理，通过P3.1/TxD(3管脚)口把处理好的信号发出，然后通过驱动电路，把信号加载到LED灯上发出。
如图3所示，S8550L基极管脚(1脚)通过限流电阻R2与单片机P3.1(TxD)管脚相连。其发射极管脚(2脚)与LED光源低电平输入管脚相连。电容C4起滤波作用，滤除电源高频噪声。集电极管脚(3脚)接地。当P3.1口输出高电平时，三极管S8550L处于截止状态，即LED灭，输出为″0″。当P3.1口输出为低电平时，三极管S8550L处于饱和状态，即LED亮，输出为″1″。此种方式设计，是因为STC12C2052AD的TxD(p3.1)口默认为高电平，使用这种PNP型的三极管方式进行设计能够很有效的降低功率。
如图4所示，人机互动电路包括开关按键、电阻和74LVC1G11GW芯片；组成。三个开关按键，S1和单片机STC12C2052AD的P1.0口相连；S2和单片机STC12C2052AD的P1.1口相连；S3和单片机STC12C2052AD的P1.2口相连。电阻主要起到一个限流的功能。74LVC1G11GW芯片可以提供一个三输入与门，工作在1.65V到5.5V的电压范围上。将按键S1，S2，S3分别和芯片74LVC1G11GW的1、3、6脚相连，组成了一个三输入的与门电路。单片机STC12C2052AD的中断0(P3.2)与芯片74LVC1G11的4脚相连，实现S1、S2、S3任意按键都可以触发外部中断0，来唤醒单片机。通过上述电路设计，实现了一个光钥匙的不同用途，极大的节省了资源。
如图5所示电源电路，不仅实现了升压的功能，还实现了对蓄电池的充电功能。当K开关打到1上时，可以对蓄电池进行充电。当开关K打到3上时，可以对3.8V电压进行5V升压。升压电路主要由CE8301芯片、电感L1、二极管D2以及电容C1，C2组成的。L1主要用来升压，二极管的作用是防止电流回流，两个电容作为滤波器件来使用。通过电路在CE8301的2端口可以得到5V的电压，来对单片机STC12C2052AD和三极管S8550L进行供电，保证器件的正常运行。
如图6所示，光电检测模块主要由前置跨阻放大电路、高通滤波器和主放大电路组成。OPA658是一种超宽带，低功耗，底电流反馈的运算放大器，具有高转换率和低差分增益/相位误差的优点。选用OPA658组成前置跨阻放大电路，通过反馈电阻R6和补偿电容C9实现微弱光电流信号到电压信号的转换。电容C12和R8构成高通滤波器，用于滤除电压信号中的直流分量和低频背景光噪声。低噪声OP37运放采用同向放大，构成主放大器。电阻R6、R4控制放大倍数，实现对信号的放大作用，便于译码判决模块准确还原出原始信息。
如图7所示，电压比较电路由LM311芯片、电容、电阻组成。LM311引脚2和电阻R9和R11相连，确定了门限电压即R11端分的的电压，约为200mv。当引脚3输入的电压大于200mv时，就把它设置为0电平。当引脚3输入的电压小于200mv时，就把它设置为1电平。″1″电平和″0″电平从引脚7输出。电容C16和电阻R13构成高通滤波器，滤除输入电压信号中的直流分量。电阻R10，是一个上拉电阻，起稳定电压输出作用。通过这个电路，可以把模拟信号转换成相应的数字信号，然后把转换好的信号，输入到单片机的RxD(P3.0)口对信号进行相应的处理。
如图8所示，单片机P1.1口为开锁信号输出管脚，其通过一限流电阻R2与三极管S2(S8550L)基极相连，继电器2脚、5脚控制其4脚、6脚的导通。二极管D1(1N4148)为续流二极管，保障继电器的稳定工作。P6(电控锁接口)1脚与电控锁正极相连。当P1.1口为低电平时，三极管S8550L导通，继电器4、6脚导通，即电控锁闭合，实现开锁功能。当P1.1口为高电平时，三极管S8550L截止，继电器4、6脚断开，即电控锁释放，实现关锁功能。为实现1把光钥匙控制多把锁或多个用电器的功能，在原型系统设计中，除实现光秘钥开门锁的演示功能外，还同时设计了光钥匙发送不同光密钥信息打开不同的LED灯功能。图中P1.0口、P1.2口分别通过三极管S8550L控制LED的亮或灭。
如图9所示，12V转5V电路主要由ams1117-5.0芯片，以及相关的电容组成。输入12V电压接ams1117-5.0的3脚，电容C3、C4实现滤波功能。ams1117-5.0的1脚接地。ams1117-5.0的2脚输出5V电压，电容C1、C2起滤波作用。
如图10所示，反压电路由TC7662芯片、电容组成。反压芯片(TC7662)的8脚和正的5V电压相接，2脚和4脚之间接上一个10uf的电容(C11)，3脚和5脚接地，C8、C12两个100nF的电容做滤波电容使用，输出引脚(5脚)就可以输出-5V的电压。这个-5V的电压，可以用来给opa658和比较器LM311进行供电。

Claims (4)

1.一种基于可见光通信的门禁系统，其特征在于，包括光钥匙模块和光控锁模块；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光电接收器上，通过比对信息来控制门锁的关闭和开启。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述光钥匙模块包括密钥控制模块、处理器模块、LED驱动模块、白光LED；所述密钥控制模块控制处理器模块产生秘钥信息，信号通过LED驱动模块，把信号加载到LED灯上；所述光控锁模块包括光电检测模块、信号处理模块、处理器模块、光锁受控模块，所述光电检测模块接收到光信号，对光信号进行处理，把信号送入处理器模块，处理器模块对密钥信息进行匹配检测，从而产生受控信号控制光锁的开启或闭合。
3.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的门禁系统，其特征在于，所述基于可见光通信的无线门禁系统采用STC12C2052AD高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现门锁的开启或关闭。
4.根据权利要求3所述的一种基于可见光通信的门禁系统，其特征在于，待发送密钥为TTL电平信号，即+5V表示高电平″1″，0V表示低电平″0″；所述LED驱动模块包括PNP型贴片三极管S8550及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换；
所述光钥匙模块一个一对多的装置；光钥匙是基于单片机STC12C2052AD设计的一种发送端；
所述光锁受控模块包括光电接收模块、译码判决模块、处理器模块、光锁受控模块、电源模块；其中，光电检测器来接收携带数据信息的光束，通过光电转换把光信号转换成模拟电信号，通过前置放大模块对电信号进行放大，电信号经过译码判决模块，把模拟信号转换成数字信号，数字信号输入到处理器STC12C2052AD进行处理；
所述光电检测器为PIN光电二极管。
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