基于MA82G5B32的智能防盜鎖體終端設計

姜源　珠海城市職業技術學院　廣東珠?！?19090陳君　珠海唯碼科技有限公司　廣東珠海　519000

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基于MA82G5B32的智能防盜鎖體終端設計

姜源珠海城市職業技術學院廣東珠海519090
陳君珠海唯碼科技有限公司廣東珠海519000

項目來源：珠海城市職業技術學院重點課題“基于物聯網的社區智能防盜系統設計”，項目編號020130310

【文章摘要】

為了解決鎖具應用中通常存在的機械鎖鑰匙丟失、電子鎖斷電、智能安防接入等問題，本文設計了一套將電子系統嵌入到傳統機械鎖芯的智能防盜鎖體終端。該終端采用MA82G5B32作為主控芯片，可通過RF射頻技術與中繼器相連，接入互聯網絡，實現與用戶、智能社區的信息交互或遠程控制，契合當前“互聯網+”環境下的遠程托管需求。

【關鍵詞】

電子鎖，MA82G5B32，電子標簽，RFID，智能安防

0　引言

鎖具是室內安防的重要部件，隨著科技的發展和人們安防意識的提高，電子鎖走上市場并發展迅猛，各種非接觸卡（IC卡、REID卡等）、鍵盤（密碼）、指紋、人臉識別等感應方式操控的鎖具層出不窮;但據考察，市場所見的電子鎖具，大多只是在機械鎖芯的基礎上，加裝一套電子系統與機械手臂的組合控制器，本質上并未改變或提高機械鎖芯的安全性能，仍有其問題和不足。

為此，本文設計了一套將電子系統“嵌入”機械鎖芯、機械鑰匙的電子鎖，在傳統機械鎖的基礎上，構建“機械牙花識別”、“電子標簽識別”雙重識別系統，不僅提高了鎖匙的安全水平，更解決了鑰匙丟失、非法開啟等各種隱患，在需要時，還可通過鎖體內嵌通信模塊借助專用中繼器接入互聯網、GSM網絡，實現與社區、物業管理中心或用戶的通信，實現基于物聯網技術的智能安防功能。

1　總體設計

1.1總體設計思想

當前市場上的電子鎖依然有其缺陷，并未提升鎖具自身的安全性能。一方面，機械鎖體部分的安全性沒有得到本質提升，另一方面，一旦鑰匙丟失、被復制，門鎖安全都會立即面臨威脅。同時，物聯網技術蓬勃發展，智能家居安防、智能社區廣泛興起，對于電子鎖終端納入“系統網絡”的需求也日益凸顯。本智能防盜鎖體終端的設計，即是從上述需求出發，嘗試將電子識別、無線通信等技術深入融合到機械鎖體和機械鑰匙，解決當前電子鎖及智能防盜系統中依然存在的問題和瓶頸。

基于上述分析，智能防盜鎖體終端設計中需要著重解決的問題如下：

（1）帶“身份證”的鑰匙。將電子標簽嵌入傳統機械鑰匙，成為“數碼鑰匙”，該電子標簽具有全球唯一的身份識別碼，使用前啟動鎖體終端的注冊功能，讀入并存儲鑰匙的身份識別碼，該鑰匙則被確認為“合法鑰匙”。使用時，機械牙花和電子標簽內的識別碼成為電子鎖終端開啟的雙重識別信息。

（2）鑰匙注冊功能。智能防盜鎖體終端配備專用母鑰匙，插入母鑰匙啟動鎖體的注冊功能，一旦合法鑰匙丟失，可立即予以注銷，并重新注冊新鑰匙，被注銷鑰匙將成為非法鑰匙，不再能夠開啟鎖體。通過該功能，將可解決鑰匙丟失的后顧之憂。

（3）合法鑰匙開啟。數碼鑰匙插入鎖體后，鑰匙電路與鎖體電路聯通，系統啟動。系統讀入數碼鑰匙內嵌的電子標簽，并進行合法性鑒定，若合法，則鎖體撤防，此時若機械牙花完全咬合，則可旋轉鎖芯開啟門鎖;如果認定非法，則鎖體布防，鎖芯無法旋轉，同時將啟動報警程序，并啟動無線通信，通報后臺管理系統。

（4）開門記錄功能。智能防盜鎖體終端通過通信模塊與后臺管理系統相連，可常態或特定地對不同鑰匙、不同時間的開啟情況進行記錄，實現開門情況的可追溯、可統計和可分析。

（5）“互聯網+”環境下遠程托管需求。在特定需求下，后臺管理系統可根據戶主的特定識別碼，向終端賦予限定時間、限定身份標簽等開啟權限，實現“互聯網+”環境下的遠程托管等功能。

（6）節能性設計。市面上常見的電子鎖大多依賴外接電源，本系統采用最簡化設計思路，采用電池供電，并設定無鑰匙斷電、報警后斷電、鑰匙常插報警等一系列節能設計，確保在不具備外接電源條件下，門鎖電池的持久耐用。

1.2框架結構

基于前文的總體設計思想，本智能防盜鎖體終端由智能鎖體、數碼鑰匙、以及通信模塊等幾部分組成。系統框架如圖1所示。

圖1　系統框架結構圖

圖中，鎖體終端的微處理器部分采用51內核的單片機。微處理器通過鎖芯接口與改裝后的機械鎖芯和數碼鑰匙連接，鑰匙插入鎖芯或者旋轉鎖芯都能使微處理器系統上電（圖中硬件上電模塊），微處理器通過接口觸點，讀取數碼鑰匙內電子標簽的身份碼，并根據認證結果，控制彈子驅動電路設防或撤防。

軟件上電模塊電路用于工作期間維持系統上電狀態，并限時斷電，保證系統節能。

EEPROM模塊用于存儲鎖體終端的本機物理地址、母鑰匙身份碼、合法鑰匙身份碼等信息。一鍵清除電路用于快速清除EEPROM中所有的鑰匙信息。

無線通信模塊選擇現成的REID模塊，用于與聯網中繼器之間的通信，從而方便組建或接入智能安防、智能社區系統。

電池電壓檢測主要用于實時檢測電池電壓，出現欠壓時，啟動聲光報警。聲光報警電路同時還負責非法開門時的報警和正常操作下的提示信息輸出。

2　硬件設計

2.1鎖芯接口與數碼鑰匙設計

如圖2所示，有鑰匙插入鎖芯時，K1聯通，系統上電，單片機工作，完成智能電子鎖的功能;鑰匙拔出鎖芯，系統限時掉電。當鎖膽發生轉動，K2閉合，兩地連接;系統工作期間，為防止K1、K2機械觸點不穩定，通過微控制器輸出上電信號Power_Out并通過上電電路，保持兩地連接。

圖2　系統節電設計思路原理圖

根據上述設計原理，需對機械鎖芯和鑰匙作相應的改裝，進而設計鎖芯與電路的接口。數碼鑰匙中內嵌單總線電子標簽DS2401，僅需一位信號接口，提供全球唯一的64bit識別碼。DS2401的連接電路如圖3所示，鑰匙內引出信號線Read_Dat，通過鎖芯內的觸點連入電路。電子鎖鎖閉裝置采用螺線管及彈子實現，原理如圖4所示，Q5導通時，置于鎖芯內的螺線管通電上磁，將永久磁鐵制成的反向極性的管芯頂起，制動鎖芯設防。

圖3　DS2401連接電路

圖4　鎖閉電路

根據上述設計，鎖芯與電路的接口設置5個信號，分別是：電源+3.3V、單總線Read_ Out、螺線管MAG、電池地GND_BAT、信號地GND。

2.2鎖體電路設計

主控微處理器選用臺灣笙泉科技的MA82G5B32，這是一款低功耗、高速Flash單片機，內部集成了32K的flash程序存儲空間，可靈活配置成IAP數據存儲區，除此之外還配備有內置高精準度 RC 振蕩器，具備大量的周邊（ ADC / UART / TWSI / SPI / ...）及復用型 I/O，這些功能部件極大地簡化了外電路的設計，為電路集成到狹小的鎖體空間內提供了可能。此外，MA82G5B32還具有全球唯一的128bit物理ID，方便鎖體作為終端組建或接入智能安防網絡。

（1）電源及低電檢測模塊

鎖體采用3節干電池供電，而MA82G5B32屬于低功耗機僅需3.3V電壓，選擇HT7333低壓降穩壓芯片完成電壓變換。同時為防止低電狀態下系統工作不正常，還需進行實時的低電檢測，此功能借助單片機內集成的ADC模塊完成，相關電路如圖5所示。

圖5　電源及低電檢測模塊

（2）上電模塊

在電路系統正常工作過程中，由鑰匙與鎖芯間的觸點提供電池地與信號地的連接，從而保證系統的供電。但機械觸點間的連接通常不穩定，為此，電路設計上電模塊，如圖6所示。

圖6　上電電路

在鑰匙插入鎖孔啟動系統的第一時間，由單片機輸出Power_Out=1，Q3、Q2、Q4導通，信號地與電池地連通，保證系統工作期間兩地的穩定連接。在鑰匙拔出后，系統根據需要，通過Power_Out控制短暫上電或斷電。

（3）無線通信模塊

為了滿足遠程報警需求以及智能安防或智能社區系統的組建，鎖體電路中需要設計無線通信模塊。選擇基于射頻集成芯片SX1208的射頻模塊LSD4RF-2S313N10，這是一款高性能的物聯網無線收發器，廣泛應用于各種場合的短距離物聯網無線通信領域，體積小、功耗低，抗干擾能力強。該模塊采用SPI通信接口，使用時直接與單片機MA82G5B32的SPI引腳連接，編程方便，硬件連接如圖7所示。

圖7　無線通信電路

（4）其他電路

其他電路包括聲光報警電路、地址設置電路等。這部分電路選擇單片機的普通IO口，連接撥碼開關、LED、蜂鳴器等即可，在此不再贅述。

3　軟件設計

3.1系統總體工作流程

圖8　系統關系圖

圖9　主程序流程

系統設計中存在母鑰匙、單權限鑰匙、雙權限鑰匙、特征鑰匙的概念：單權限鑰匙和特征鑰匙注冊成功后即可開門，不同的是特征鑰匙開門時系統將其開門信息發送至聯網中繼通知用戶，開門信息可追溯;雙權限鑰匙經注冊后，開門時需得到用戶的二次授權，并在授權后限定時間內才能開門;母鑰匙用于啟動注冊合法鑰匙功能，上述三類鑰匙均在注冊過程予以區分。

數碼鑰匙、鎖體終端、聯網中繼、用戶四者之間的關系如圖8所示。為了防止不同鎖體終端之間報警信息的干擾，系統工作前設計有對碼功能，當鎖體電路中的對碼設置按鍵按下，鎖體終端通過主控芯片MA82G5B32中全球唯一的128bit物理ID與聯網中繼器的主控芯片的物理ID，完成對碼。

根據上述分析，系統軟件采用模塊化設計，共分為如下模塊：一鍵擦除模塊，對碼模塊，鑰匙注冊模塊，單權限鑰匙開門模塊，雙權限鑰匙開門模塊，非法鑰匙報警模塊。

3.2部分程序流程

主程序流程如圖9所示，鑰匙注冊模塊是重點代碼，子程序Register_ID（）流程如圖10所示，單權限、雙權限和特征鑰匙三種不同類型的鑰匙，在注冊過程中，通過控制插入鎖孔的時間來區分。

圖10　注冊子程序流程

4　測試

系統完成后，將鎖體終端配合中繼器進行了檢測，設計功能均能實現，性能測試數據如下：

系統靜態工作電流≤25uA，工作狀態下（含讀卡期間、報警期間、通信期間）的工作電流≤200mA。系統采用3節干電池供電，容量為1000mA，配合專門研發的開鎖測試儀，合法鑰匙可開鎖1.5萬次左右，當電池電壓降至3.6V時，欠壓報警，仍然可開鎖50次以上。假設每天開門10次，每次持續1分鐘，根據實測數據估算，正常情況下可使用1年以上;

鎖體終端與中繼器之間的無線通信距離≥50M（建筑物內）;

開鎖測試儀上傳至電腦的測試數據顯示，測試次數10000次，成功9998次，失敗2次，成功率為99.98%，滿足測試要求。

5　小結

本文所述的智能防盜鎖體終端，將電子控制系統嵌入傳統機械鎖芯，巧妙地實現了更高的防護性能，解決了鑰匙丟失、鎖體斷電等傳統和常見電子鎖類存在的問題。同時，終端設計了RF通信模塊，可借助物聯中繼器組建智能安防網絡并接入互聯網、GSM網絡，實現與社區、物業管理中心或用戶的通信，實現基于物聯網技術的智能安防功能。該功能契合“互聯網+”環境下的遠程托管需求，將有廣泛應用。

【參考文獻】

[1]朱玉璟,李大,孫文杰,王晶.鎖具之電子鎖技術綜述[J].科技致富向導,2014,21: 287-288

[2]姜源,孟誠.數碼防盜鎖芯[Z].2013,專利號:ZL201220714068.2

[3]datasheet. MA82G5Bxx_Datasheet_ v1.03[Z]

【作者簡介】

姜源，女，1982年出生，江蘇南通人，碩士研究生，講師，主要研究方向單片機及嵌入式系統控制，物聯網應用。

陳君，男，1990年出生，廣東湛江人，?？?，主要研究方向單片機及嵌入式系統控制。