基于受限交互的被動式智能鎖系統的制作方法
【專利摘要】一種基于受限交互的被動式智能鎖系統，包括智能鎖基站和智能鑰匙，智能鎖基站安裝在門上，智能鎖基站包括基站主控模塊、觸發(fā)模塊、低頻發(fā)送模塊及低頻發(fā)送天線、高頻接收模塊及高頻接收天線、電機驅動模塊和輔助信號發(fā)送模塊；智能鑰匙包括鑰匙主控模塊、低頻接收模塊及低頻接收天線、高頻發(fā)送模塊及發(fā)送天線；輔助信號發(fā)送模塊的發(fā)送方向和區(qū)域為門外；智能鑰匙還包括用于監(jiān)測當前區(qū)域是否有輔助信號的輔助信號接收模塊和用于根據是否有輔助信號判定當前鑰匙位置且選擇性地判定是否滿足ID發(fā)送條件的輔助條件判斷模塊，輔助條件判斷模塊與鑰匙主控模塊連接。本發(fā)明有效區(qū)分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好。
【專利說明】基于受限交互的被動式智能鎖系統
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種智能鎖系統，尤其是智能電子鎖。
【背景技術】
[0002]PKE是英文Passive keyless entry的縮寫，中文一般譯為被動式無鑰匙進入系統。這種技術設計的初衷是使用戶只需隨身攜帶一個電子鑰匙，不需按就可以進入目標系統。與RKE的單向通信不同，PKE應用的是雙向通信的原理，通過射頻信號來驗證電子鑰匙的身份以提高安全性。
[0003]傳統PKE智能鎖的工作過程為:
[0004]1、喚醒:當用戶攜帶智能鑰匙出現智能鎖基站的檢測范圍時，智能鎖基站發(fā)出低頻信號，如果這個信號與智能鑰匙內存儲的標記喚醒的數據相匹配，鑰匙就會被喚醒。智能鑰匙內設計有“喚醒”監(jiān)測模塊(低頻喚醒天線及低頻喚醒模塊)，可保證智能鑰匙長期處于低功耗狀態(tài)僅在喚醒后主控制模塊才進入正常工作，從而有效延長電池的使用時間。智能鑰匙中通常會使用三維全向天線確保鑰匙不同的姿態(tài)下收到“喚醒”信號。
[0005]2、驗證:智能鑰匙被喚醒后，它會根據一定的算法計算出一個加密的ID數據通過高頻信號發(fā)送回智能鎖基站，智能鎖基站高頻接收天線和接收模塊接收到數據后發(fā)送給它的控制模塊，控制模塊根據對應的算法對接收到的加密ID進行解密，如果解密后的數據與預先存儲的數據匹配成功，就會開啟門鎖。
[0006]在PKE的整個工作過程中，有高頻和低頻2種無線信號，為了提高通信的效率通常對發(fā)送和接收天線都設計比較高的增益。這2種類型的發(fā)送和接收天線的輻射范圍通常是全向的(球形)，也就是說在以基站天線為半徑的球形范圍內接收天線都可以成功的接收到來自各個方向的高頻信號。對于通信系統來說這樣的全向天線發(fā)送和接收的效果最好。但在智能鎖系統中，基站高頻和低頻天線的這種全向特點卻會導致在門的內部也有一個接收信號的輻射場，這將導致在門內的鑰匙也能接收到喚醒信號，在門內被喚醒后的智能鑰匙發(fā)送的高頻信號也能被智能鎖基站天線接收到。這對智能鎖的使用提出了安全性的問題。目前也有通過多個低頻發(fā)送天線發(fā)送低頻信號，鑰匙通過判斷不同低頻天線發(fā)送的信號強度判斷自己離相應低頻天線的距離，從而判斷出自己的位置。但在智能鎖系統中，這樣由于天線之間的距離不能設計的很近，直接導致鑰匙判斷的精度要求極為苛刻，很難在實際中得到應用。

【發(fā)明內容】

[0007]為了克服已有智能鎖系統的無法有效區(qū)分鑰匙位于門內還是門外、安全性較差的不足，本發(fā)明提供了一種有效區(qū)分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好的基于受限交互的被動式智能鎖系統。
[0008]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0009]一種基于受限交互的被動式智能鎖系統，包括智能鎖基站和智能鑰匙，所述智能鎖基站安裝在門上，其中，所述智能鎖基站包括基站主控模塊、觸發(fā)模塊、低頻發(fā)送模塊及低頻發(fā)送天線、高頻接收模塊及高頻接收天線和電機驅動模塊；所述智能鑰匙包括鑰匙主控模塊、低頻接收模塊及低頻接收天線、高頻發(fā)送模塊及發(fā)送天線；
[0010]所述智能鎖基站還包括輔助信號發(fā)送模塊，所述輔助信號發(fā)送模塊的發(fā)送方向和區(qū)域為門外；所述智能鑰匙還包括用于監(jiān)測當前區(qū)域是否有輔助信號的輔助信號接收模塊和用于根據是否有輔助信號判定當前鑰匙位置且選擇性地判定是否滿足ID發(fā)送條件的輔助條件判斷模塊，所述輔助信號接收模塊與輔助條件判斷模塊連接，所述輔助條件判斷模塊與所述鑰匙主控模塊連接。
[0011]進一步，所述輔助信號發(fā)送模塊為超聲波發(fā)送模塊，所述輔助信號接收模塊為超聲波接收模塊。該處為一個優(yōu)選的方案，當然，也可以采用其他輔助信號，只要該輔助信號發(fā)送后覆蓋了門外區(qū)域，同時屏蔽了門內區(qū)域即可。
[0012]再進一步，所述智能鎖基站中，所述觸發(fā)模塊接收到用戶觸發(fā)開鎖信號后，喚醒基站主控模塊進入通信狀態(tài)，基站主控模塊控制低頻發(fā)送模塊通過低頻發(fā)送天線發(fā)送無線低頻喚醒信號，高頻接收模塊等待接收智能鑰匙返回的高頻無線信號；同時所述輔助信號發(fā)送模塊發(fā)送輔助信號；
[0013]所述智能鑰匙中，所述低頻接收模塊及低頻接收天線收到無線低頻喚醒信號后，喚醒所述鑰匙主控模塊，鑰匙主控模塊首先查詢輔助條件判斷模塊是否滿足ID發(fā)送條件，若滿足發(fā)送條件，則控制高頻發(fā)送模塊通過高頻發(fā)送天線發(fā)送無線高頻ID信號到智能鎖基站；若不滿足發(fā)送條件，則不發(fā)送高頻ID信號到智能鎖基站；
[0014]智能鎖基站的高頻接收模塊通過高頻接收天線接收到智能鑰匙返回的無線高頻ID信號后，對ID進行匹配認證，認證通過后控制電機驅動模塊開啟智能鎖。
[0015]更進一步，若智能鎖在設定的時間內沒有收到合法的無線高頻ID信號，則進入低功耗狀態(tài)，等待再次被喚醒。
[0016]所述輔助信號發(fā)送模塊與所述基站主控模塊連接。所述輔助信號發(fā)送模塊也可以單獨設置，也可以與所述基站主控模塊連接。
[0017]所述輔助信號接收模塊、所述輔助條件判斷模塊與所述鑰匙主控模塊集成在一塊控制板上。也可以選擇將所述輔助信號接收模塊、所述輔助條件判斷模塊與所述鑰匙主控模塊分別單獨設置。
[0018]本發(fā)明的技術構思為:在智能鎖的基站端設計輔助信號發(fā)送模塊，在PKE系統被觸發(fā)時同時發(fā)送輔助信號，該輔助信號只能在門的正面被接收到，門背后無法接受。在智能鑰匙中設計一個輔助條件判斷模塊，在被低頻信號喚醒后嘗試識別輔助信號，只有在信號被成功識別后才能發(fā)送ID。由于輔助信號被限制在門前的有限距離內，所以智能鑰匙只能在門前該區(qū)域實現正常的PKE通信功能，從而實現了門前開鎖門后禁止的功能。
[0019]本發(fā)明選擇了超聲波發(fā)送模塊作為智能鎖基站的輔助信號發(fā)送模塊，在智能鑰匙上，增加一個超聲波接收模塊來監(jiān)測當前區(qū)域是否有超聲波的發(fā)送信號。
[0020]本發(fā)明的有益效果主要表現在:有效區(qū)分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是智能鎖的基本功能框圖。[0022]圖2是電機驅動電路實例。
[0023]圖3是高頻接收模塊的尺寸與原理圖。
[0024]圖4是傳統智能鎖基站的工作流程圖。
[0025]圖5是傳統智能鑰匙的工作流程。
[0026]圖6是超聲波發(fā)送模塊的尺寸圖。
[0027]圖7是超聲波發(fā)送模塊的輻射方向圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0029]參照圖1?圖7，一種基于受限交互的被動式智能鎖系統，包括智能鎖基站和智能鑰匙，所述智能鎖基站安裝在門上，其中，所述智能鎖基站包括基站主控模塊11、觸發(fā)模塊12、低頻發(fā)送模塊13及低頻發(fā)送天線14、高頻接收模塊15及高頻接收天線16和電機驅動模塊17 ;所述智能鑰匙包括鑰匙主控模塊21、低頻接收模塊22及低頻接收天線23、高頻發(fā)送模塊24及高頻發(fā)送天線25;
[0030]所述智能鎖基站還包括輔助信號發(fā)送模塊18，所述輔助信號發(fā)送模塊18的發(fā)送方向和區(qū)域為門外，所述智能鑰匙還包括用于監(jiān)測當前區(qū)域是否有輔助信號的輔助信號接收模塊和用于根據是否有輔助信號判定當前鑰匙位置且選擇性地判定是否滿足ID發(fā)送條件的輔助條件判斷模塊26，所述輔助信號接收模塊與輔助條件判斷模塊連接26，所述輔助條件判斷模塊26與所述鑰匙主控模塊21連接。
[0031]進一步，所述輔助信號發(fā)送模塊18為超聲波發(fā)送模塊，所述輔助信號接收模塊為超聲波接收模塊。該處為一個優(yōu)選的方案，當然，也可以采用其他輔助信號，只要該輔助信號發(fā)送后覆蓋了門外區(qū)域，同時屏蔽了門內區(qū)域即可。
[0032]圖1是一個典型的PKE智能鎖系統。它的設計方案是設計一個智能鎖基站端和相應的智能鑰匙。智能基站端采用一個微控制模塊作為主控模塊11，這種微控制器可以是性能較低的8位單片機(如8051)，也可以是性能較高的16位或32位處理器(如ARM)，具備編程能力并具有低功耗的特征。開發(fā)者通過開發(fā)相應的軟件實現智能鎖基站的基本功能。
[0033]主控模塊11的引腳連接觸發(fā)模塊12。觸發(fā)模塊的作用是感知智能鎖系統被外部觸發(fā)，喚醒處于低功耗狀態(tài)的主控模塊進入工作狀態(tài)。觸發(fā)模塊有多種實施實例:1、采用機械按鍵的方式，當用戶按下按鍵時，電平信號傳導到主控模塊11，主控模塊引腳產生中斷喚醒系統；2、采用觸摸按鍵的方式，通過感應用戶人體或手與觸摸鍵盤產生的電容，引發(fā)系統中斷；3、采用近距離感應的方式，當用戶人體或手靠近時引發(fā)系統中斷；4、通過紅外等感應的方式，產生系統中斷。
[0034]低頻發(fā)送模塊13是一個產生低頻無線信號的模塊，典型的低頻頻率是125KHZ。通常通過芯片內部PWM引腳產生一個頻率為125K的方波，然后通過一個三極管控制該載波調制到低頻天線上，三極管導通和關閉將實現該基準載波在天線上和不在天線上，從而實現信號O和I的發(fā)送。編碼方式通常采用曼徹斯特編碼。低頻天線由并聯的電阻、電容和電感組成。為了達到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率要達到125KHZ。
[0035]高頻接收模塊15采用傳統超外差或超再生的設計方法，主頻設計在315MHz、433MHz、868MHz、965MHz和2.4GHz等民用的公開無線頻段。本實施例建議購買現成的無線模塊降低設計難度，這里以深圳市無線佳企提供的GW-RlODL低電壓低功耗超外差接收模塊為例說明原理，其模塊的尺寸圖和原理圖如圖3所示。它采用SWA本振，性能穩(wěn)定，使用溫度范圍廣泛，供電電壓為3V，接收功耗僅為1mA，可適用于250-450MHZ的各個頻點的通信。接收天線采用1.4波長的單振子天線。
[0036]智能鎖基站的主控模塊在認證通過后，電機控制模塊17發(fā)送電平信號給電機，驅動電機開鎖。典型的電機驅動芯片采用L9110，它是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CM0S兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750?800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5?2.0A ;同時它具有較低的輸出飽和壓降。
[0037]智能鑰匙的低頻接收模塊22連接低頻天線23，為了獲得良好的接收效果，低頻天線通常采用3軸低頻天線。典型的低頻接收模塊采用PIC16F639內部的模擬前端模塊(AFE) ,3個天線連接引腳分別為LX、LY、LZ。通過連接3個分別指向x軸、y軸、z軸的天線，智能鑰匙可以隨時接收來自任何方向的信號，從而降低由天線的方向性而造成信號丟失的可能性。在此系統中，3個方向的低頻天線23采用PREMO公司設計的集成天線模塊，該天線模塊體積小、精度高，電感值在出廠時已經配置好，只需要配合對應通道的電容便可使用。
[0038]智能鑰匙高頻發(fā)送模塊24采用與智能鎖基站對應頻率的高頻發(fā)送電路。圖4給出了一個典型的高頻發(fā)送電路原路圖，它通過主控模塊PIC16F639產生一個PWM信號并與一個聲表面濾波器(SAW)連接在一起構成一個諧波振蕩電路，實施例中是一個433MHz的聲表面濾波器。
[0039]圖4給出了一個典型的PKE智能鎖基站的工作流程。在通常狀態(tài)下，智能鎖基站處于低功耗狀態(tài)。當外部觸發(fā)模塊接收到人體感應的信號后，產生中斷信號喚醒智能鎖基站的主控模塊。主控模塊被喚醒后發(fā)送低頻喚醒信號給智能鑰匙，并等待智能鑰匙返回的高頻ID信號。如果在規(guī)定的時間內收到高頻信號后，對接收到的ID進行解碼，然后與系統中存儲的合法鑰匙ID進行比較，如果比較合法，則開鎖；如果ID比較不合法，則不開鎖。在等待高頻的過程中，如果在規(guī)定時間內沒有接收到有效的ID信號(低頻覆蓋區(qū)域內無鑰匙)，則進行重發(fā)。如果重發(fā)的次數已經達到最大重發(fā)次數，則進入低功耗狀態(tài)。
[0040]圖5顯示智能鑰匙的工作流程。在低頻感應區(qū)域內的智能鑰匙感應到喚醒信號后，從低功耗狀態(tài)退出，并檢查發(fā)送過來的低頻喚醒信號是否合法。如果當前接收的低頻信號合法，則通過高頻模塊發(fā)送加密的ID ;如果當前接收的低頻信號不合法，則不發(fā)送加密的ID。智能鑰匙僅在被喚醒后工作在正常模式下，平時都處于低功耗狀態(tài)，所以它能夠實現在紐扣電池工作下使用時間大于I年。
[0041]本實施例的方案，在傳統的智能鎖基站增加輔助信號發(fā)送模塊和在傳統的智能鑰匙上增加輔助條件判斷模塊的受限交互的被動智能鎖系統具體包括:
[0042]智能鎖基站，包括但不限于基站主控模塊11、觸發(fā)模塊12、低頻發(fā)送模塊13及低頻發(fā)送天線14、高頻接收模塊15及高頻接收天線16、電機驅動模塊17和輔助信號發(fā)送模塊18。
[0043]智能鑰匙，包括鑰匙主控模塊21、低頻接收模塊22及低頻接收天線23、高頻發(fā)送模塊24、高頻發(fā)送天線25和輔助條件判斷模塊26。[0044]智能鎖基站的觸發(fā)模塊17接收到用戶觸發(fā)開鎖信號后，喚醒基站主控模塊11進入通信狀態(tài)，基站主控模塊11控制低頻發(fā)送模塊13通過低頻發(fā)送天線14發(fā)送無線低頻喚醒信號，智能鎖的高頻接收模塊15等待接收智能鑰匙返回的高頻無線信號。智能鎖基站的輔助信號發(fā)送模塊18發(fā)送被智能鑰匙中的輔助信號接收模塊接收，并被輔助條件判斷模塊26識別的輔助信號。
[0045]智能鑰匙的低頻接收天線23和低頻接收模塊22收到無線低頻喚醒信號后，喚醒鑰匙的主控模塊21，鑰匙的主控模塊21首先查詢輔助條件判斷模塊26是否滿足ID發(fā)送的條件。若滿足發(fā)送條件，則控制高頻發(fā)送模塊通過高頻發(fā)送天線24發(fā)送無線高頻ID信號到智能鎖基站。若不滿足發(fā)送條件，則不發(fā)送高頻ID信號到智能鎖基站。
[0046]智能鎖基站的高頻接收模塊15通過高頻天線16接收到智能鑰匙返回的高頻信號后，對ID進行匹配認證，認證通過后控制電機驅動模塊開啟智能鎖。若智能鎖在設定的時間內沒有收到合法的高頻ID信號，則進入低功耗狀態(tài)，等待再次被喚醒。
[0047]本實施例中，在智能鎖基站增加輔助信號發(fā)送模塊和在智能鑰匙上增加輔助條件判斷模塊，通過增加特定的條件判斷來限制智能鑰匙發(fā)送ID信號。為了達到讓智能鑰匙能夠在門前成功接收輔助信號，而在門后無法接收輔助信號，要求發(fā)送的輔助信號必須具有較強的定向能力。在實施例中，我們選擇了超聲波發(fā)送模塊作為智能鎖基站的輔助信號發(fā)送模塊。TCT40-16T/R1壓電陶瓷超聲傳感器，它的物理尺寸如圖6所示，它的輻射方向性如圖7所示。智能鎖基站在端通過控制TCT40-16T/R1的輸出將電能轉化成特定頻率的超聲波，發(fā)送到門前的有限區(qū)域中去。
[0048]在智能鑰匙上，增加一個超聲波接收模塊來監(jiān)測當前區(qū)域是否有超聲波的發(fā)送信號。如果智能鑰匙的尺寸沒有限制，可使用TCT40-16T/R1壓電陶瓷超聲傳感器將聲波能轉換成電能，然后通過智能鑰匙的主控模塊的Α/D采用模塊實施采樣，判斷是否有特定頻率的超聲波接收到。如果發(fā)現接收到了該特定頻率的超聲波，則發(fā)送相應的ID，如果沒有則表示有可能鑰匙在門內，不在發(fā)送ID。若智能鑰匙的尺寸比較小，則可以選擇采用微電機麥克風芯片(MEMS)，注意該微電機麥克風必須具備良好超聲頻率響應特性。通過麥克風采樣當前空間中的聲波，并對采樣的數據進行變換和濾波，判斷是否有特定頻率的超聲波在傳輸，若有則說明在有效的區(qū)域內，發(fā)送ID ;若沒有則說明在無效區(qū)域內，不發(fā)送ID。
【權利要求】
1.一種基于受限交互的被動式智能鎖系統，包括智能鎖基站和智能鑰匙，所述智能鎖基站安裝在門上，其中，所述智能鎖基站包括基站主控模塊、觸發(fā)模塊、低頻發(fā)送模塊及低頻發(fā)送天線、高頻接收模塊及高頻接收天線和電機驅動模塊；所述智能鑰匙包括鑰匙主控模塊、低頻接收模塊及低頻接收天線、高頻發(fā)送模塊及高頻發(fā)送天線；其特征在于: 所述智能鎖基站還包括輔助信號發(fā)送模塊，所述輔助信號發(fā)送模塊的發(fā)送方向和區(qū)域為門外； 所述智能鑰匙還包括用于監(jiān)測當前區(qū)域是否有輔助信號的輔助信號接收模塊和用于根據是否有輔助信號判定當前鑰匙位置且選擇性地判定是否滿足ID發(fā)送條件的輔助條件判斷模塊，所述輔助信號接收模塊與輔助條件判斷模塊連接，所述輔助條件判斷模塊與所述鑰匙主控模塊連接。
2.如權利要求1所述的基于受限交互的被動式智能鎖系統，其特征在于:所述輔助信號發(fā)送模塊為超聲波發(fā)送模塊，所述輔助信號接收模塊為超聲波接收模塊。
3.如權利要求1或2所述的基于受限交互的被動式智能鎖系統，其特征在于:所述智能鎖基站中，所述觸發(fā)模塊接收到用戶觸發(fā)開鎖信號后，喚醒基站主控模塊進入通信狀態(tài)，基站主控模塊控制低頻發(fā)送模塊通過低頻發(fā)送天線發(fā)送無線低頻喚醒信號，高頻接收模塊等待接收智能鑰匙返回的高頻無線信號；同時所述輔助信號發(fā)送模塊發(fā)送輔助信號； 所述智能鑰匙中，所述低頻接收模塊及低頻接收天線收到無線低頻喚醒信號后，喚醒所述鑰匙主控模塊，鑰匙主控模塊首先查詢輔助條件判斷模塊是否滿足ID發(fā)送條件，若滿足發(fā)送條件，則控制高頻發(fā)送模塊通過高頻發(fā)送天線發(fā)送無線高頻ID信號到智能鎖基站；若不滿足發(fā)送條件，則不發(fā)送高頻ID信號到智能鎖基站； 智能鎖基站的高頻接收模塊通過高頻接收天線接收到智能鑰匙返回的無線高頻ID信號后，對ID進行匹配認證，認證通過后控制電機驅動模塊開啟智能鎖。
4.如權利要求3所述的基于受限交互的被動式智能鎖系統，其特征在于:若智能鎖在設定的時間內沒有收到合法的無線高頻ID信號，則進入低功耗狀態(tài)，等待再次被喚醒。
5.如權利要求1或2所述的基于受限交互的被動式智能鎖系統，其特征在于:所述輔助信號發(fā)送模塊與所述基站主控模塊連接。
6.如權利要求1或2所述的基于受限交互的被動式智能鎖系統，其特征在于:所述輔助信號接收模塊、所述輔助條件判斷模塊與所述鑰匙主控模塊集成在一塊控制板上。
【文檔編號】G07C9/00GK103985177SQ201410226743
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權日:2014年5月26日
【發(fā)明者】阮宏鳴 申請人:阮宏鳴