CN210324255U - 一种基于半双工低频rfid阅读器原理的低功耗挂锁 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，包括锁体和标签钥匙，所述锁体内部包括按键、电池、识别模块、主控MCU、驱动机构和锁舌；所述识别模块分为发送电路模式、接收电路模式；用所述标签钥匙按下所述按键，主控MCU选择识别电路模块为发送电路模式，将信号发送给标签钥匙；信号发送完毕后，主控MCU控制识别电路模块转换为接收电路模式，接收标签钥匙返回的信号，并对信号进行解析，信号为匹配信号时，主控MCU发送指令给所述驱动机构，完成开锁动作。本实用新型的低功耗挂锁，应用半双工低频RFID阅读器原理，主板小，应用灵活，制作成本低廉且安全性高。

Description

一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁

技术领域

本实用新型涉及半双工低功耗RIFD低频标签阅读器在挂锁的应用领域，特别是一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁。

背景技术

目前市面上的挂锁大概可以分为普通挂锁、蓝牙锁、指纹锁，普通挂锁:带金属钥匙,依靠金属钥匙触动锁芯的弹子的方式进行开锁，比较原始，安全等级不高，没有匹配的钥匙也容易被打开。蓝牙和指纹锁：依靠蓝牙技术和指纹识别技术兴起的一种挂锁技术，蓝牙锁需要登录app用手机进行开锁，指纹锁用指纹进行开锁。指纹锁可以分为光学指纹头和半导体指纹头两种，其中光学指纹头靠指纹图像来读取识别，而半导体指纹锁主要靠电容感应来识别指纹。相对来说，后者比前者精准快速、安全可靠。蓝牙锁，主要利用无线技术和物联网技术，通过网络、蓝牙等无线信号实现门锁与手机或遥控的链接。最常见的就是通过手机蓝牙或APP、门禁对讲系统等进行解锁。上述类型的挂锁均存在一定的不足，普通挂锁安全性不高；指纹锁容易被恶性破坏，导致不正当开锁，一旦遇到手指划破、污渍、起皮等就无法辨识，且制造成本与普通挂锁相比高出许多；蓝牙锁依赖手机，有会被网络上的非法用户攻破而被打开的风险，并且制作成本同样很高。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种应用半双工低频 RFID阅读器原理的低功耗挂锁，制作成本低廉且安全性高。

为了达到上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，包括锁体和标签钥匙，所述锁体内部包括按键、电池、识别模块、主控MCU、驱动机构和锁舌，所述按键、电池、识别模块、驱动机构均与主控MCU连接，所述识别模块分为发送电路模式、接收电路模式；用所述标签钥匙按下所述按键，主控MCU选择识别电路模块为发送电路模式，将信号发送给标签钥匙；信号发送完毕后，主控MCU 控制识别电路模块转换为接收电路模式，接收标签钥匙返回的信号，并对信号进行解析，信号为匹配信号时，主控MCU发送指令给所述驱动机构，完成开锁动作；

所述按键内部由Pmos管Q5、Nmos管Q6、第九电阻R9、第六电容C6、按键开关K1组成；第六电容C6是电池的滤波电容。当按键开关K1按下时，Pmos 管Q5栅极接到GND，晶体管打开，给系统供电，主控MCU给Power_en端输出一个高电平，Nmos管Q6的源漏极导通，故按键开关K1松开时，电源仍能正常供电，VDD端通过第九电阻R9给Pmos管Q5的栅极充电，电量饱和之后，Pmos 管Q5会截止，系统随即进入断电的状态，节约电池电量；完成开锁动作或信号不匹配时，主控MCU给Power_en端输出一个低电平，Nmos管Q6的源漏极截止，系统进入断电的状态，节约电池电量；在按键没有按下时，整个系统是处于断电状态，即Pmos管Q5的源漏极处于截止状态，系统不工作；正常按键按下的持续接触的时间已经满足主控MCU给整个系统初始化所需的时间，所以系统能正常进入工作状态，之后利用Pmos管Q5和Nmos管Q6的开关特性，当信号不匹配或未接收到信号，一段时间后系统会进入断电状态。

所述识别模块由线圈、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻 R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3构成；所述识别模块由Protect端、Lfdriver端、Tag_dem端接到主控MCU内管管脚；

所述第一电阻R1、线圈、第一电容C1、第二电容C2组成LC谐振电路，所述LC谐振电路与所述第四晶体管Q4、第八电阻R8和主控MCU协同工作时，所述识别模块为所述发送电路模式，主控MCU发送信号以方波形式输出到Lfdriver 端，所述LC谐振电路将信号调制成正弦波形式并通过线圈发送给所述标签钥匙；

信号发送后，主控MCU控制第四晶体管Q4的CE端处于截止的状态，此时所述识别模块切换为所述接收电路模式，所述第二晶体管Q2、第四电阻R4、第五电阻R5组成一级放大电路，所述第三晶体管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7 组成二级放大电路，信号经过一级放大电路及二级放大电路放大后转换成主控 MCU能识别的方波信号，通过Tag_dem端接到主控MCU，主控MCU对接收到的信号进行解析。

按键、主控MCU、识别模块、驱动机构组成主板部分，该主板部分尺寸能做到直径仅为15mm的圆形板。

进一步地，所述电池为3.0V锂电池，在断电状态下，整个系统静态工作的电流极低，达到nA级别，故静态功耗低，能极大力度的保存3.0V锂电池的电量。

进一步地，所述LC谐振电路以ASK的信号调制方式将信号调制成正弦波形式。

进一步地，所述接收电路模式采用的信号调制方式是FSK的信号调制方式，所述主控MCU根据接收到的信号频率分辨接收到的数据是“0”还是“1”。

进一步地，所述驱动机构包括电机、减速齿轮、开锁拉片和驱动模块，主控 MCU发送指令给所述驱动模块，控制所述电机转动，驱动减速齿轮拨动开锁拉片，此时锁舌弹出完成开锁动作，完成开锁动作后电机转回原位置。

进一步地，所述标签钥匙接收到信号和能量时，先储能待能量足够给所述标签钥匙使用之后，标签钥匙被激活，并返回信号给所述主控MCU，即标签钥匙不需要设置特别的供能机构便能工作，方便实用。

进一步地，所述标签钥匙还包括钥匙线圈和标签芯片，所述标签钥匙点按所述按键时，所述钥匙线圈与所述识别模块中的线圈平行。

进一步地，所述低功耗挂锁还包括指示灯，主控MCU解析信号匹配时，所述指示灯显示蓝光；主控MCU解析信号不匹配时，所述指示灯显示红光。

进一步地，所述主控MCU接收到的信号频率是133KHZ～139KHZ时，数据被识别为“0”；接收到的信号频率是122KHZ～127KHZ时，数据被识别为“1”。

本实用新型的有益效果：运用RFID技术，基于半双工低频RFID标签读卡器的原理，通过设计主控MCU与识别模块、驱动机构、按键等模块的连接，能够快速判断开锁信号是否匹配，使挂锁安全系数高；并且利用Pmos管Q5和Nmos 管Q6的开关特性，在没有工作任务即断电的状态下，静态工作的电流极低，达到nA级别，能极大限度的保存电池电量，延长电池的使用寿命；按键、主控 MCU、识别模块、驱动机构组成主板PCB部分，该部分相比市面上采用集成读卡芯片作为基站芯片的方案能使PCB布局更小，主板PCB布局面积大小能做到15mm的圆形PCB。15mm直径圆形PCB板子的是市面上的标签读卡器做不到的尺寸。

附图说明

图1为所述低能耗挂锁的工作流程示意图；

图2为按键内部电路图；

图3为识别模块电路图；

图4为挂锁各模块及部件位置示意图；

图5为图3中A点信号图；

图6为图3中B点发送的信号图；

图7为图6中B点信号图的信号放大图；

图8为图3中C电信号图；

图9为图3中B点接收的信号图；

图10为图9中B点信号图的信号放大图。

具体实施方式

参照图1-10对本实用新型的做进一步的详细描述：

一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，包括锁体和标签钥匙，所述锁体内部包括按键、电池、识别模块、主控MCU、指示灯、驱动机构和锁舌，如图4所示；所述按键、电池、识别模块、指示灯、驱动机构均与主控MCU 连接，所述识别模块分为发送电路模式、接收电路模式；用所述标签钥匙按下所述按键，主控MCU选择识别电路模块为发送电路模式，将信号发送给标签钥匙；信号发送完毕后，主控MCU控制识别电路模块转换为接收电路模式，接收标签钥匙返回的信号，并对信号进行解析，信号为匹配信号时，主控MCU发送指令给所述驱动机构，完成开锁动作；

如图2所示，所述按键内部由Amos管Q5、Amos管Q6、第九电阻R9、第六电容C6、按键开关K1组成。在按键开关K1没有按下时，系统是处于断电状态，即Pmos管Q5的源漏极处于截止状态，系统不工作。当按键开关K1按下时， Pmos管Q5栅极接到GND，Pmos管Q5中晶体管打开，VCC_3.0V接到VDD，给系统供电。主控MCU立即进入工作状态，给Power_en端输出一个高电平，Nmos 管Q6的栅极是一个高电平，Nmos管Q6的源漏极接通，Pmos管Q5的栅极通过Nmos管Q6的源漏极接到GND。此时即使按键开关K1松开，Pmos管Q5的栅极也是接到GND，系统电源不会断开。因为正常按键按下，按键开关K1的持续接触的时间已经满足主控MCU给系统初始化所需的时间，所以系统能正常进入工作状态。主控MCU使能电源之后，会给钥匙发送能量和数据。如果接收到钥匙返回的数据，会处理认证，当数据正确时，给电机驱动板发送开锁指令，电机转动开锁，开锁之后，电机转动到原来的位置。完成这些动作之后，主控MCU 给Power_en端输出一个低电平，Nmos管Q6的源漏极截止。VDD通过第九电阻 R9给Pmos管Q5的栅极充电，电量饱和之后，Pmos管Q5会截止，系统进入断电的状态。如果接收到钥匙返回的数据不正确或者一段时间内没有接收到返回数据，主控MCU给Power_en端输出一个低电平，Nmos管Q6的源漏极截止。VDD 通过第九电阻R9给Pmos管Q5的栅极充电，电量饱和之后，Pmos管Q5会截止，系统进入断电的状态，节约电池电量。电路图中电容C6是3.0V锂电池的滤波电容。

如图3所示，所述识别模块由线圈、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻 R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3构成；所述识别模块由Protect端、Lfdriver端、Tag_dem端接到主控 MCU内管管脚；识别模块的电路是基于半双工低频RFID阅读器原理而实现的，实现标签钥匙和主控MCU双向通讯。识别模块电路有两个工作电路模式即：发送电路模式和接收电路模式。但任意时候主控MCU只能选择识别模块电路为发送电路模式、接收电路模式二者中的一种，选择是发送电路模式还是接收电路模式是由主控MCU通过控制第四晶体管Q4选择的。当按键开关K1按下后3.0V 锂电池给系统供电。Lfdriver端是直接接到主控MCU的管脚，主控MCU进入工作状态，主控MCU通过控制Protect端的状态选择识别模块为发送电路模式。此时，第四晶体管Q4的EC端处于导通的状态，把第二电容C2接地，第二电容C2 与第一电容C1构成并联电路，组成谐振电路的谐振电容。第一电阻R1、线圈、第一电容C1、第二电容C2、第四晶体管Q4、第八电阻R8和主控MCU内置的 MOS管构成发送电路。在发送数据时候，主控MCU的Protect端给到一个信号，使得第四晶体管Q4的EC端接通，把隔直耦合第二电容C2接地，发送的信号不会经过第二晶体管Q2。需要发送的信号通过主控MCU内部的管脚电路驱动之后以方波的形式输出到Lfdriver端，需要发送的信号接到由限流电阻第一电阻R1、线圈、第一电容C1、第二电容C2组成的LC谐振电路。LC谐振电路把需要发送的方波信号以ASK的信号调制方式把需要发送的方波信号调制成正弦波的形式，通过线圈把要发送的信号以正弦波的波形发送给标签钥匙。在一定范围内，调制后的正弦波峰峰值越高，信号越强，发送的距离越远，钥匙响应越灵敏，性能越好。此时图3中A点的信号是主控MCU需要发送的信号，如图5所示；B点信号如图6、7所示。

等需要发送的信号全部发送完之后，主控MCU控制识别模块转换到接收电路模式，并等待标签钥匙的返回信号。第二电容C2是隔直耦合电容，隔离掉接收到的信号直流的成分。第二晶体管Q2、第四电阻R4、第五电阻R5组成一级放大电路，第四电阻R4、第五电阻R5给第二晶体管Q2提供一个基准电流使第二晶体管Q2处于放大的状态。线圈接收到的信号是一个mV级别的正弦波小信号，当线圈接收到的信号过强时候，电路会通过第四晶体管Q4卸掉一部分电，起到保护一级放大电路的作用。接收到的信号经过第二电容C2后接到一级放大电路，一级放大电路对接收到的信号进行放大处理，经过一级放大电路之后，信号被放大β1倍。第三晶体管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7组成二级放大电路，第六电阻R6、第七电阻R7给第三晶体管Q3提供一个基准电流使第三晶体管Q3 处于放大的状态。被放大β1倍的信号通过隔直耦合第三电容C3接到二级放大电路，二级放大电路对被放大了β1倍的信号进行放大β2倍。经过2次放大后的信号已是主控MCU能出来的方波信号，通过Tag_dem端接到主控MCU，主控 MCU对接收到的信号进行解析。此时B点接受到的信号是一个mV级别的正弦波信号，如图9、10所示，接收电路采用的信号调制方式是FSK的信号调制方式；图3中的C点直接接到主控MCU的接收管脚，C点的信号波形是一个方波信号，信号的调制方式是FSK的调制方式，主控MCU辨别数据是根根据发送过来的信号的频率分辨的，当发送过来的信号的频率是133KHZ～139KHZ时，数据被识别为数据“0”；当发送过来的信号的频率是122KHZ～127KHZ时，数据被识别为数据“1”。待主控MCU处理完信号之后，会做出相应的动作。如果钥匙发送来的信号跟本挂锁的信息匹配，指示灯显示蓝光，并发送指令给驱动机构，电机转动打开锁。完成开锁动作之后，电机会转回到原本的位置。如果标签钥匙发送来的信号跟本挂锁的信息不匹配，指示灯显示红光，同时主控MCU会让系统自动关机，进入断电状态，节约电池电量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不是对本实用新型专利范围的限制，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，包括锁体和标签钥匙，所述锁体内部包括按键、电池、识别模块、主控MCU、驱动机构和锁舌，其特征在于：所述按键、电池、识别模块、驱动机构均与主控MCU连接，所述识别模块分为发送电路模式、接收电路模式；用所述标签钥匙按下所述按键，主控MCU选择识别电路模块为发送电路模式，将能量和信号发送给标签钥匙；能量和信号发送完毕后，主控MCU控制识别电路模块转换为接收电路模式，接收标签钥匙返回的信号，并对信号进行解析，信号为匹配信号时，主控MCU发送指令给所述驱动机构，完成开锁动作；

所述按键内部由Pmos管(Q5)、Nmos管(Q6)、第九电阻(R9)、第六电容(C6)、按键开关(K1)组成；当按键开关(K1)按下时，Pmos管(Q5)栅极接到GND，晶体管打开，给系统供电，主控MCU给Power_en端输出一个高电平，Nmos管(Q6)的源漏极导通，故按键开关(K1)松开时，电源仍能正常供电；完成开锁动作或信号不匹配时，主控MCU给Power_en端输出一个低电平，Nmos管(Q6)的源漏极截止，VDD通过第九电阻(R9)给Pmos管(Q5)的栅极充电，电量饱和之后，Pmos管(Q5)会截止，系统进入断电的状态，节约电池电量；

所述识别模块由线圈、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第二晶体管(Q2)、第三晶体管(Q3)、第四晶体管(Q4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)构成；所述识别模块由Protect端、Lfdriver端、Tag_dem端接到主控MCU内管管脚；

所述第一电阻(R1)、线圈、第一电容(C1)、第二电容(C2)组成LC谐振电路，所述LC谐振电路与所述第四晶体管(Q4)、第八电阻(R8)和主控MCU协同工作时，所述识别模块为所述发送电路模式，主控MCU发送信号以方波形式输出到Lfdriver端，所述LC谐振电路将信号调制成正弦波形式并通过线圈发送给所述标签钥匙；

信号发送后，主控MCU控制第四晶体管(Q4)的CE端处于截止的状态，此时所述识别模块切换为所述接收电路模式，所述第二晶体管(Q2)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)组成一级放大电路，所述第三晶体管(Q3)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)组成二级放大电路，信号经过一级放大电路及二级放大电路放大后转换为主控MCU能识别的方波信号，通过Tag_dem端接到主控MCU，主控MCU对接收到的信号进行解析。

2.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述电池为3.0V锂电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述LC谐振电路以ASK的信号调制方式将信号调制成正弦波形式。

4.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述接收电路模式采用的信号调制方式是FSK的信号调制方式，所述主控MCU根据接收到的信号频率分辨接收到的数据是“0”还是“1”。

5.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述驱动机构包括电机、减速齿轮、开锁拉片和驱动模块，主控MCU发送指令给所述驱动模块，控制所述电机转动，驱动减速齿轮拨动开锁拉片，锁舌弹出完成开锁动作，完成开锁动作后电机转回原位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述标签钥匙接收到信号和能量时，先储能待能量足够给所述标签钥匙使用之后，标签钥匙被激活，并返回信号给所述主控MCU。

7.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述标签钥匙还包括钥匙线圈，所述标签钥匙点按所述按键时，所述钥匙线圈与所述识别模块中的线圈平行。

8.根据权利要求1所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，还包括指示灯，主控MCU解析信号匹配时，所述指示灯显示蓝光；主控MCU解析信号不匹配时，所述指示灯显示红光。

9.根据权利要求4所述的一种基于半双工低频RFID阅读器原理的低功耗挂锁，其特征在于，所述主控MCU接收到的信号频率是133KHZ～139KHZ时，数据被识别为“0”；接收到的信号频率是122KHZ～127KHZ时，数据被识别为“1”。

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