光控電子鎖的設計與實現

南京工程學院信息與通信工程學院 王曉艷 倪慧敏 王 靜 陳澤康 劉躍晨 王可依 朱 尖 曹靜緒

基于可見光通信的光控電子鎖系統設計，將控制電子鎖與白光LED通信相結合，以AT89C51單片機為關鍵，由電子鎖驅動電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路組成。該系統用來保證空間的安全，具有安全性強、使用便捷、靈活性強，可在不同場景下進行拓展等諸多優點。

1 研究背景及意義

隨著研究的逐漸深入以及技術的前進，2000年可見光通信（VLC）的概念橫空出世，白光LED在實現照明的同時，還作為信號發生裝置，實現了使用可見光的高速通信。另一方面，傳統的機械鎖由于技術已經非常成熟，安全性能已無法有較大提升，專業的開鎖人士可以輕松打開，鑰匙也僅能開鎖使用，使用較為麻煩且安全性能差。本文討論的是使用可將光通信控制電子鎖系統的設計，具有更多的使用功能和使用場景，還有拓展更多功能的空間，其使用簡單方便、安全性強、靈活便捷、成本較低。

2 方案設計

系統基于可見光通信，通過預設密碼對輸出口的電壓進行時序編碼，實現攜帶信息的可見光路，利用由電子鎖驅動電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路，實現當檢測光強高于某一閾值時，單片機檢測電壓變化，記錄信息時序并與預設密碼對比校驗，若密碼正確則傳輸信號到驅動電路，打開電子鎖，從而實現了更為安全有效的光控電子鎖系統。

2.1 發射端設計

發射端的電路是基于視覺暫留現象設計的LED光控設計，介紹了使用LED傳輸二進制信息的方法，使得LED同時兼具了照明與光控的功能。使用單片機最小系統作為控制系統，中斷系統與按鈕作為外部輸入控制發送開啟與關閉，由單片機供電控制LED亮滅，時序編碼分為引導碼-密碼-結束碼，分別占用80ms-640ms-80ms，總計800ms完成一次傳輸，若為開啟狀態則循環發送，再次按下按鈕則轉變為關閉狀態。在設計完電路后，也完成了軟件代碼的編寫與調試。

2.2 接收端設計

設計實現了接收端單片機、光敏二極管、驅動電路及電子鎖的整體電路，通過光敏二極管傳感器模塊檢測發射端LED的信號，再傳給單片機，單片機使用在每一位持續時間中間點采樣的方式，提高采樣的準確度，再分別對引導碼、密碼和結束碼進行接收校驗，全部校驗成功后，短暫的改變輸出口的電位，激活驅動電路打開電子鎖。整體系統設計如圖1所示。

3 電路測試

在發射端輸出口連接一個示波器，觀察示波器的波形，查看波形與程序中的發射時序是否匹配。

圖1 整體系統

圖2 實物電路發射端輸出口波形

發射端輸出口波形如圖2所示，波形表現出了輸出口的電平變化，波形中的兩個狀態對應著高電平與低電平，高電平持續時間內LED發光，低電平持續時間內LED熄滅，圖中含有一個完整的發射周期，整個周期持續800ms，第一個持續時間短變化較快比較密集的波形是引導碼部分，之后一長段是密碼部分的波形，密碼部分結束后是一段與引導碼部分等長的結尾碼，結尾碼之后則是下一個周期的引導碼，無間隔時間循環。

圖3 實物電路密碼波形

密碼的波形放大后如圖3所示，最左邊密集部分為引導碼，最右側密集部分為下一周期的引導碼。密碼每一位持續時間為20ms，是引導碼與結束碼一位持續時長的兩倍，波形中中間最短的長度即為20ms的長度，密碼是32位二進制碼“110101110110111010101110 11110111”，總計持續時間640ms。

發射端的波形與程序中的發射時序相同，進一步驗證發射波形，將預設密碼“11010111011011101010111011110111”改為“001 11010010011010101111101101110”，再觀察波形變化。

圖4 實物電路改變密碼后的波形

密碼改變后的波形如圖4所示，與之前的密碼波形圖2相比，有明顯的變化，LED的發射程序仿真成功，且因密碼變化此時接收端檢測校驗失敗，接收端輸出電路無動作，整體實物電路測試完成。

4 系統性能測試

4.1 控制距離

測試發射端LED與接收端光敏二極管在不同距離下系統的響應成功率對比測試結果如圖5、圖6所示。

結果顯示，晚上與白天情況下不同距離的測試數據進行對比，環境光對系統性能影響較大，白天環境光較強系統性能一般，檢測成功率隨著距離增加逐漸下降，晚上環境光較弱系統性能顯著提高，可檢測距離大幅度提升，且在距離增加初期系統性能依舊比較穩定，隨著距離越來越大檢測成功率才逐步下降。由于發射端光源的功率對測試結果影響較大，測試時使用的光源是5mm小功率發光二極管，發射端光源發光強度較小，所以在距離稍微增大時成功率就開始下降，因此可以根據檢測距離的需求更換大功率的發射端光源，提高本系統在長距離情況下的適用性。

圖5 白天不同距離下的系統性能

圖6 晚上不同距離下的系統性能

4.2 對準角度

測試發射端LED與接收端光敏二極管在不同對準角度下系統的響應成功率，測試結果為圖7所示。

圖7 不同對準角度下的系統性能

結果顯示，本系統受對準角度影響很大，小幅度的角度偏差都會極大的影響系統性能，這與發射端光源功率有關，也與本系統接收端使用的光敏二極管元件有關，本次測試使用的光敏二極管元件具有很強的方向性，主要檢測正前方的光源，所以在角度有偏差時靈敏度會大幅度下降，因此可以根據檢測角度的需求更換不同的光敏二極管元件，提高本系統發射端與接收端在不同角度情況下的適用性。

4.3 環境光照

測試發射端LED與接收端光敏二極管在不同環境光照下系統的響應成功率，測試數據如圖8所示。

由以上測試可得出環境光的強度對系統性能的影響較大，其主要原因是發射端LED的功率太小，發光的光強較小，所以在環境光較強的情況下檢測發射端光源較為困難，因此可以根據所使用的環境不同更換不同的發射端光源，大功率的發射端光源可以使本系統在環境光較強的情況下也能正常使用，也可增加在弱光環境下的最大檢測距離，提高本系統發射端與接收端在不同環境情況下的適用性。

圖8 不同環境光下的系統性能

總結：隨著無線通信技術的越來越成熟，可見光通信以其諸多優勢逐漸成為當下研究的熱點。本文提出了一種基于可見光通信的光控電子鎖系統，針對傳統機械鎖弊端，具有很大的使用價值和發展空間。該項目成品可以讓用戶使用起來更靈活，也方便了用戶更加安全高效的使用電子鎖來保證空間的安全，值得推廣。