引言
    機械鎖和數(shù)碼鎖是我們日常生活中最常見的兩種鎖具。經過長期的發(fā)展，機械鎖在技術上已經非常成熟，而且種類繁多。機械鎖的主要特點是簡單、可靠、價格較低，但機械鎖的鎖芯結構一般是固定的，即使沒有鑰匙，專業(yè)人員通過技術手段都能很快打開，因此防盜性能相對較差。數(shù)碼鎖是近幾年發(fā)展起來的一種新型鎖具，它可以通過鍵盤、IC卡、RFID卡、指紋、虹膜紋或其他感應方式開啟。數(shù)碼鎖的特點是使用方便，其開鎖密碼可以隨時更改，易于實現(xiàn)非法開門的現(xiàn)場和遠程報警。但是出于消防考慮，斷電后，所有電子數(shù)碼鎖均應處于“常開”狀態(tài)，主動開門，失去防盜性，對于電源的過度依賴限制了數(shù)碼鎖的使用范圍。

    綜合考慮上述兩種鎖具的特點，本文設計了一套機械數(shù)碼一體化防盜鎖。它在保留了傳統(tǒng)機械鎖的結構形式及其全部功能的基礎上，增加一個可以控制鎖芯旋轉的電子彈子，該電子彈子受專門的結構形式保護，并受控于鑰匙的數(shù)碼信息，只能通過已經被確認的合法鑰匙來操作。當斷定鑰匙是非法的情況下，在保證門鎖不能開啟的同時，可通過警鈴鳴叫和遠程報警系統(tǒng)將“企圖非法入侵”的信息及時報告給用戶或管理中心監(jiān)測系統(tǒng)，更好地保護用戶的財產安全。

總體設計
    機械數(shù)碼一體化防盜鎖的總體設計框圖如圖1所示。硬件由數(shù)碼鑰匙，鎖芯/接插件，控制存儲器模塊，無線通信模塊，電源模塊，警鈴，及相應的擴展模塊構成。工作流程如下：當數(shù)碼鑰匙插入鎖孔后，系統(tǒng)上電，電子彈子彈出，控制器通RF方式讀取鑰匙芯片里的數(shù)碼組，然后將此數(shù)碼組與存儲器模塊里存儲的數(shù)碼組進行比較，若存在相同的碼組，則電子彈子收回，允許機械鑰匙進行正常的開門過程，否則，電子彈子保持彈出狀態(tài)，卡住鎖芯，禁止鎖芯的旋轉，從而禁止開門，且通過無線通信模塊向電話報警模塊發(fā)送報警信號，電話報警模塊可以向用戶或管理監(jiān)測中心立即發(fā)送報警信息。

硬件電路
數(shù)據(jù)控制與傳輸
    數(shù)據(jù)的傳輸和控制通過數(shù)碼鑰匙和鎖芯接插件來完成。

    數(shù)碼鑰匙是由傳統(tǒng)的機械鑰匙改造而成，在保留機械鑰匙外形及全部牙花的基礎上，內置了一個具有64位二進制編碼的RF芯片。本系統(tǒng)采用EM4100芯片，這是一種CMOS集成電路，內置64位激光可編程ROM，工作頻率為100KHz~150KHz。它通過放置在電磁場中的附加線圈獲取能量和控制時鐘，然后通過調制電流開關，將預先存儲在內存陣列中的64位信息碼發(fā)送出去。EM4100采用曼徹斯特編碼方式：

    數(shù)據(jù)結構如圖2所示，以連續(xù)9位“1”作為數(shù)據(jù)頭，是讀取數(shù)據(jù)時的同步標識；D00～D93位是用戶定義數(shù)據(jù)位；P0～P9是行奇偶校驗位，PC0～PC3是列奇偶校驗位，最后以“0”作為結束標志，這種數(shù)據(jù)結構有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。[nextpage]

    在保留了傳統(tǒng)機械鎖芯結構形式及全部功能的基礎上，對鎖芯進行了改進，增加了一個受控的電子彈子和電接插件。電子彈子受控于鑰匙芯片信息，當鑰匙芯片信息正確的情況下，電子彈子收回，允許正常的開門操作，否則，電子彈子彈出，卡住鎖芯，禁止鎖芯旋轉，從而禁止開門。電接插件主要由線圈、RF芯片EM4095及附加電路組成。EM4095芯片是一種CMOS集成收發(fā)電路，配合EM4100使用，完成鑰匙信息的讀取工作。通過選取合適的電感和電容，使EM4095的震蕩頻率維持在125KHz，經由線圈向外輻射電磁波來讀取芯片EM4100中的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)解調，并將解調后的數(shù)據(jù)輸出給單片機。EM4095 電路圖如圖3所示。

    控制電路由上電保持電路，電壓檢測電路，無線發(fā)射電路和Microchip公司的單片機PIC16F72等組成(見圖4)。

    控制器有兩塊地，電池地和電路板地，通常情況下，這兩塊地是斷開的，電路板不能工作。當鑰匙插入鎖芯后，機械上會使這兩塊地連通，連通后電路板就上電工作，而當鑰匙拔出后，兩塊地又斷開，電路板停止工作。電路板上電電路實際就是為兩塊地的連通提供了一條通路，通過將GNDT置“1”，即可實現(xiàn)GND和DZ導通，但這條通路必須在電路板已經工作后才能建立，建立后如果機械上的通路斷了，電路板仍然可以工作，直至完成未完的報警工作，再通過將GNDT置“0”，斷開這條通路。

    整個電路采用電池供電。電壓檢測電路實時監(jiān)測電池電壓，當檢測到電池電壓過低時，通過指示燈和蜂鳴器有規(guī)律的鳴叫提醒用戶及時地更換電池，保證防盜鎖正常工作。

    當防盜鎖控制電路檢測到非法鑰匙開門時，除了通過電子彈子阻止開鎖、警鈴嚇阻提示外，還將報警信息通過無線發(fā)射電路傳給電話報警模塊進行撥打電話報警。無線發(fā)射電路的工作頻率為433MHz，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，當環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時，頻飄僅為3ppm/度。發(fā)射電路未設編碼集成電路，這種結構使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動碼電路及單片機接口，而不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出幅度信號值的大小。比如用PT2262或者SM5262等編碼集成電路配接時，直接將它們的數(shù)據(jù)輸出端接至發(fā)射電路的輸入端即可。此外此電路采用FM方式調制，以降低功耗，當數(shù)據(jù)信號停止時發(fā)射電流降為零。

    因為整個系統(tǒng)通過電池供電，系統(tǒng)功耗高低決定了系統(tǒng)的使用前景。在芯片的采用上，選擇低功耗芯片，如PIC16F72(單片機)，78L05(低功耗穩(wěn)壓芯片)等；在電路的設計中，保證系統(tǒng)能夠正常工作的情況下，合理的增大了限流電阻，有效地減小了系統(tǒng)工作電流；整個系統(tǒng)功耗比較大的部分就是RF芯片EM4095，通過合理的選擇電容電感值，使其工作在性能最穩(wěn)定的125KHz。當不需要EM4095工作的時刻，將EM4095置為休眠狀態(tài)，電流限制在1mA以下。系統(tǒng)提供了9V，900mAH的電池供電，根據(jù)實際測量和理論估計，假設每次開門過程持續(xù)1分鐘時間，每天開門10次，那么一塊電池至少可以使用1年時間。[nextpage]

    電路中設計了專門的鑰匙設置電路來方便用戶管理鑰匙。當設置鍵按下后，系統(tǒng)進入鑰匙設置狀態(tài)，通過發(fā)光二極管不同的顯示方式和蜂鳴器有規(guī)律的鳴叫來提示用戶進行相應的設置。通過鑰匙設置電路，用戶可以方便的增加和刪除鑰匙。

    系統(tǒng)掉電以后，一些重要的信息需要保存，系統(tǒng)采用了EEPROM來保存。電路中使用的EEPROM芯片為AT24C02，它遵循I2C協(xié)議。EEPROM從地址00H到0EFH用于存儲合法的鑰匙序列號，地址0F0H到0F3H用于存儲標志數(shù)據(jù)，依次為：是否第一次設置標志，主鑰匙設置過標志，EEPROMN待寫地址，以設置的合法鑰匙數(shù)。EEPROM地址0F8H，0F9H，0FAH用于存儲配對碼。

    為了防止不同用戶之間報警信息的相互干擾，系統(tǒng)設計了對碼功能。當對碼設置鍵按下后，系統(tǒng)讀取存儲在EEPROM從地址0F8H開始的3個字節(jié)對碼數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)射電路將用戶設置的對碼信息發(fā)送給報警器完成對碼設置過程。對碼過程結束以后，電話報警器僅對對碼信息正確的報警信號進行處理。

軟件設計
    系統(tǒng)軟件的設計采用了模塊化設計的思想，方便了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及后期功能的修改。

    軟件的設計主要分為幾大模塊：主程序模塊，設置模塊，信息檢測模塊，對模塊和報警模塊。

    主程序模塊用來完成系統(tǒng)的初始化，通過協(xié)調各個子模塊之間的工作，附加一些輔助功能，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

    設置模塊用來完成鑰匙信息的設置及保存功能。系統(tǒng)設計中存在“母鑰匙”和“子鑰匙”兩個概念，“母鑰匙”由主人持有，具有最大的權限，鑰匙的添加和刪除都需要“母鑰匙”的參與。“子鑰匙”可以由主人分配給短期內需要具有開門權限的用戶，僅具有開門的基本權限?！澳歌€匙”和“子鑰匙”的設計思想極大的方便了主人對于鑰匙的管理，如果有鑰匙不慎丟失，可以及時地將丟失的鑰匙的開門功能取消掉，更好的保證了個人的財產安全。

    信息檢測模塊通過控制硬件電路讀取鑰匙信息，以及完成鑰匙信息的校驗工作。在整個系統(tǒng)軟件的設計中，它輔助其他模塊完成相應的功能。

    對碼模塊主要完成系統(tǒng)的對碼功能。對碼過程如下：讀取存儲在EEPROM中從0F8H開始的3個字節(jié)的對碼標志字，按照對碼信息的格式，通過無線發(fā)射電路將對碼信息發(fā)送出去。對碼信息格式如下：信息頭+3個字節(jié)對碼信息+1位奇偶校驗位+信息尾。

    報警模塊主要完成系統(tǒng)的報警功能。當確認為非法開門時，報警模塊被調用，此時上電保持電路工作，發(fā)送報警信息給電話報警器和用戶，保護用戶的財產安全，并且控制蜂鳴器鳴叫，嚇阻非法入侵者，當報警信號發(fā)送完成以后，系統(tǒng)關閉上電保持電路，如果此時拔出鑰匙，電池地和電路板地之間的連接將會斷開，整個電路將會斷開，警鈴停止鳴叫，這樣，可以有效地降低系統(tǒng)功耗。而此時，可以認為不存在非法開門威脅，所以，不會出現(xiàn)安全問題。報警信息格式如下：信息頭+ 3個字節(jié)的對碼信息+1字節(jié)的報警信息+1位奇偶校驗位+信息尾。

測試結果
系統(tǒng)完成后，配合電話報警器進行了實地測量。具體測試數(shù)據(jù)如下：
靜態(tài)工作電流：4~5mA；
讀卡期間工作電流：50mA左右；
報警期間工作電流：10mA左右；
讀卡距離：4~5cm；
報警信號有效距離(空曠地帶)：80米左右；報警信號有效距離(建筑物內)：50米左右；
測試工作情況：

 
    由于實驗條件所限，僅能夠進行上述測試，測試結果表明，系統(tǒng)滿足設計需求。

結語
    機械數(shù)碼一體化防盜鎖是一種將傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代技術相結合的新型防盜鎖具，它具有使用方便，安全，可靠等特點，而且具有很好的功能擴展性，可以很好的與其它的產品(電話報警器，紅外報警器等)配套使用。