基于RFID技術的低功耗汽車門禁系統

胡 威，張建新

(浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州310018)

0 引 言

隨著汽車行業的不斷發展創新，傳統的RKE(remote keyless entry)系統已經不能完全滿足車主對汽車門禁功能的要求［1］。新型PKE 系統進入汽車市場后，很快得到了中高檔汽車的青睞［2］。但是由于完善的PKE 系統設計技術基本由少數外企掌握，使得PKE 產品成本高，不能在中國廣闊的汽車市場中得到全面和靈活的應用［3］。目前，在國內只有少數高檔汽車才能夠配備PKE 系統［4］，因此，面對不斷發展的中國汽車消費市場，對PKE 系統進行研究和開發，不僅能給汽車消費群體帶來便利，更有利于整個汽車行業的發展。

廣大研究者一直致力于RFID 技術的研究，并且應用到了不同的領域中，但是主要關注只通信距離與通信安全的問題，重點研究了高低頻信號收發電路及通信加密算法。Yuping Su 等［5］在RFID 系統設計中加入了顯示模塊及功率放大電路，且發射臺一直處于發碼狀態，能耗比較大;Qi Zhang 等［6］在低功率射頻收發器的設計中，RF 收發器主要由寬帶射頻前端、低功率接收模塊、N 倍分頻器及功率管理模塊組成，結果表明接收器在帶寬為915 MHz 數據傳輸速率為2 Mbps情況下工作電流為10 mA;Md． Monzur Morshed 等［7］主要介紹了一種標簽RFID 通信協議，該協議使用靜態標示符，單調遞增的時間戳，該協議表明它可以節約存儲空間及減少計算，但降低了通信安全系數。

為降低系統的功耗，本研究主要改進了高、低頻收發電路及通信算法，并且加入了語音及安防模塊。

本研究提出的高/低頻結合、功能完善及低功耗的汽車門禁系統的設計方案是RFID 技術在汽車門禁系統中的一次成功應用［8］，對中國國產汽車行業的迅速全面發展具有重要的的意義［9］。

1 基于RFID 汽車門禁系統設計方案

1．1 工作原理

在一輛汽車中，門禁系統主要由車身控制模塊及遙控鑰匙模塊組成，可以多個遙控鑰匙對一個車身模塊［10］。汽車門禁系統框圖如圖1 所示。車身控制模塊安裝在車門上，駕駛者攜帶身份卡不必將身份卡從口袋中拿出，只需靠近汽車按門把手上的觸摸鍵即可實現開啟車門功能，并解除安防系統，同樣駕駛者離開車時只需按下觸摸鍵即可實現汽車鎖門功能，并使汽車安防系統處于設防狀態，整個開門鎖門的過程中，身份卡無需拿出。

圖1 門禁系統框圖

1．2 重難點

(1)低功耗。常用的低功耗設計方式有:選用低功耗的處理器、設計低功耗的電路、采用單電源低電壓喚醒、采用間歇式發送信號及軟件優化、處理器采用休眠—喚醒模式等。在本研究的系統設計中，除了運用以上低功耗設計方法外，還將在車身控制模塊和遙控鑰匙模塊中均采用高低頻相結合的傳輸方式。這種傳輸方式優點在于低頻模塊選用的頻率為134．2 kHz，其信號的傳輸是通過空間交變磁場來實現耦合，收發模塊在這種方式下可利用耦合的電磁場能量作為自己的能量，從而無需消耗電池的能量［11］。此外，還可以在無其他外部中斷的情況下，將車身控制模塊設置為休眠模式，從而減少不必要的能量消耗。當按下觸摸按鍵或有其他外部中斷時，將喚醒處理器進行工作。

(2)低頻天線的全向性。由于車身控制模塊與遙控鑰匙模塊采用的是134．2 kHz 低頻收發方式，且遙控鑰匙體積的限制，為解決低頻天線間的耦合問題，在該系統中，車門控制模塊低頻天線采用線圈天線，遙控鑰匙模塊的低頻接收天線采用3 付正交天線，每付天線由一個電感和一個電容并聯組成，分別放在X、Y 和Z 方向上，保證可以獲得任意方向上的信號，既實現低頻天線的全向性，又減小了天線的體積。

(3)加密算法。為保證通信信號的安全性，該系統中通信數據會先被加密［12］，解密成功后方可開門，有效地保證了系統的安全性。

該系統車身控制模塊低頻發送電路采用的數字調制方式是頻移鍵控，通過改變載波的頻率，使其隨著基帶信號的變化而變化，從而將調制信號轉換成適合傳播的已調信號［13］。而傳輸的數字信號采用的編碼方式為曼徹斯特編碼，用電壓跳變的相位不同來區分1 和0，其中從高到低跳變表示1，從低到高跳變表示0。

為解決發送數據的錯碼問題及最大可能的降低功耗，系統發送數據報文由前導頭、同步頭、數據信息、后導頭組成，卡號與密碼進行按位與加密，在解密的過程中，按照報文的發送順序進行解密，一旦驗證不成功即停止解密，這種加密算法不但錯碼率少，而且功耗低。

2 系統的硬件設計

2．1 車身控制模塊

車身控制模塊主要由主控單片機芯片、高頻接收模塊、低頻發送模塊、安防模塊、電機模塊、語音模塊、觸摸開關等組成。車身控制模塊電路設計原理圖如圖2 所示。

在該系統中，低頻發送模塊處理器采用單片機PIC16F1828 芯片，射頻芯片為美國德州儀器的TMS3705讀寫芯片［14］。該設計中，射頻芯片與微處理器只需通過兩根I/O 口線通信，使用非常方便，該系統中通過PIC16F1828 的TMS3705 的調制電路設計圖如圖2所示。

圖2 低頻發送模塊

單片機PIC16F1828 的工作電壓為1．8 V～5．5 V，電路中通過采用COMS 技術的三端口高電流低電壓穩壓器HT7550 輸出5 V 電壓提供給單片機，PIC16F1828有4 種晶振模式，最高為32 MHz，休眠模式下電流僅為20 nA，要從休眠模式喚醒器件，外設必須能在沒有系統時鐘的情況下工作。進入休眠模式前，必須將相應中斷源的中斷允許位置1。從休眠模式喚醒時，如果GIE 位也置1，則處理器將跳轉到中斷向量，否則，處理器將繼續執行SLEEP 指令后的指令。緊接SLEEP 指令后的指令總是會在跳轉到ISR 前執行。該系統中單片機PIC16F1828 共有20 個引腳，18 個引腳可作為I/O 口，其中RA4、RA5 引腳接入4 M 的晶振，RC3、RB7 引腳控制語音芯片模塊，RC0、RC1 引腳控制電機L9110S 模塊，RC6、RC7 引腳控制安防模塊，RA2 引腳作為高頻信號的輸入端，RC4、RC5 引腳作為射頻芯片 TMS3705 的信號輸入端。射頻芯片TMS3705 是用來驅動天線，在天線端發送調制的頻率為134．2 kHz 的信號數據。

2．2 遙控鑰匙模塊

遙控鑰匙模塊主要由主控單片機芯片、高頻發送模塊、低頻接收模塊、電源、天線等組成［15］，低頻接收模塊電路設計原理圖如圖3 所示。

圖3 低頻接收模塊

該系統中，PIC16F630 有12 個具備獨立方向控制功能的I/O 引腳，RA0、RA2、RC0 引腳連接低頻接收芯片TMS37122。C4是充電電容連接引腳VCL，在低頻信號接收的過程中C4處于充電狀態，從而為低頻的半雙工部分提供能量。芯片TMS37122 并且具有可編程的喚醒模式和低頻監視，通過WAKE 引腳輸出來驅動外部設備，進而喚醒單片機［16］。該芯片對來自多達3 個天線的信號進行解調，如果天線正交放置，就可解調來自3 個坐標(X、Y 和Z)的數據信息。這樣，即使汽車內的基站天線是簡單、經濟型的線圈天線，也可使無耦合的區域最小［17］。在該次設計中，當按下汽車門鎖上的觸摸按鍵，車身控制模塊會依次發出低頻信號，而遙控鑰匙一直處于接收狀態，卡接收到卡號比對成功后會通過高頻電路發送密碼，車身控制模塊接收到密碼比對成功可實現開門，并伴有開門及撤防的提示音。

3 系統的軟件設計

該系統中的程序設計主要包括單片機初始化程序、按鍵判斷程序、發送程序、接收處理程序，存儲卡程序、語音控制程序、安防控制程序、電機控制程序、卡學習程序及清除鎖內卡信息程序等。

3．1 門鎖部分控制程序

門鎖程序初始化及按鍵判斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 門鎖程序初始化及按鍵判斷程序流程圖

單片機PIC16F1828 有256 字節的EEPROM，EEPROM 的第一個字節存放卡的數量，第二字節開始存放卡號，程序初始化為:

(1)中斷位、預分頻器、ADC 通道設置;

(2)干電池上電的聲音，有語音播報;

(3)將卡號數量全部讀到內存中;

(4)比對卡號是否為0 判斷是否進入休眠狀態，為0 進入休眠狀態，不為0 將卡號全部讀取到ROM 中。

當單片機處于休眠狀態時，可通過外部中斷喚醒單片機進行相應的操作，外部中斷通過檢測設置的狀態位DOOR_CHECK，標志位為低是開門狀態，為高則繼續判斷學習狀態位，學習狀態位為低進入學習狀態，按下身份卡上的按鍵卡登記成功，為高則是復位清除門鎖內的卡信息。當低頻發送卡號時，會連續發送5次，首先判斷卡號是否存在，若存在再進行密碼比對，校驗成功后才可實現開門。

3．2 系統RFID 通信算法實現

系統采用的編碼方式為曼徹斯特編碼，數字調制方式為頻移鍵控，報文由前導頭、同步頭、數據信息、后導頭組成。

3．2．1 加密算法流程

高頻發送卡號與密碼時，卡號與密碼會先被加密，按位發送時，發送500 μs 高電平和500 μs 低電平表示1，500 μs 高電平和1 000 μs 低電平表示0。

卡號與密碼發送前會被加密，前導頭為10 ms 低電平和10 ms 高電平，同步頭為500 μs 高電平，后導頭為500 μs 高電平。在該系統中加密的方式是卡號與密碼分別與校驗碼進行異或運算，測試用的校驗碼為十六進制數0 ×96，校驗碼可以隨時改變，只需保證門鎖與身份卡一致即可。

3．2．2 解碼算法流程

門鎖在接收身份卡發送的信息后，會進行解碼比對，解密即將接收到的卡號與密碼與校驗碼進行異或運算，得到的結果與門鎖中的卡號與密碼比對，比對成功實現開門功能，其流程圖如圖5 所示。

4 結束語

本研究旨在設計一種基于RFID 汽車無鑰匙進入系統［18］，通過按下觸摸鍵喚醒處于休眠單片機，達到無鑰匙開門的目的。通過實驗測試，該系統在1．5 m以內可正確識別車主，門鎖主控板靜態電流為9．27 μA，工作電流為80 mA，身份卡靜態電流為5 μA，工作電流為4 mA。車主只需按車門上的觸摸鍵即可打開或關閉車門，同時連接安防系統實現撤防和設防，若鑰匙丟失可通過刪除門鎖內鑰匙信息及新鑰匙學習功能得以解決。

圖5 解密流程圖

該系統的優點主要有:①系統功能的進一步優化及系統的易操作性;加入了安防系統及語音系統。②系統硬件設計上通過采用按下觸摸鍵喚醒處于休眠單片機的機制，在不影響通信距離的情況下去掉了信號放大電路，以及軟件程序設計上采用優先驗證卡號的數量的方法降低系統功耗。③在數據傳輸的安全性問題上，通過無線通信過程中數據的加密、解密，不斷優化發碼的頻率及時間，低頻發碼時間20 ms/次，高頻發碼時間為60 ms/次。在不增大誤碼率的前提下優化算法，不但降低了發碼的能耗，并且有效地保證了數據的保密性、安全性［19］。

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