基于高頻天線特征判別的智能鎖系統的制作方法
【專利摘要】一種基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，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、觸發模塊、低頻發送模塊及低頻發送天線、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、高頻發送模塊及高頻發送天線；所述高頻接收天線為用以接收門外信號并抑制門內信號的半球面輻射天線，所述高頻接收天線的輻射范圍為門外。本發明有效區分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好。
【專利說明】基于高頻天線特征判別的智能鎖系統
【技術領域】
[0001]本發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]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。開發者通過開發相應的軟件實現智能鎖基站的基本功能。
[0007]主控模塊11的引腳連接觸發模塊12。觸發模塊的作用是感知智能鎖系統被外部觸發，喚醒處于低功耗狀態的主控模塊進入工作狀態。觸發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系統中斷；4、通過紅外等感應的方式，產生系統中斷。
[0008]低頻發送模塊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。為了達到最優低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率要達到125KHZ。
[0009]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。
[0010]智能鎖基站的主控模塊在認證通過后，電機控制模塊17發送電平信號給電機，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。
[0011]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。
[0012]智能鑰匙高頻發送模塊24采用與智能鎖基站對應頻率的高頻發送電路。圖4給出了一個典型的高頻發送電路原路圖，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。
[0013]圖4給出了一個典型的PKE智能鎖基站的工作流程。在通常狀態下，智能鎖基站處于低功耗狀態。當外部觸發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，如果在規定時間內沒有接收到有效的ID信號(低頻覆蓋區域內無鑰匙)，則進行重發。如果重發的次數已經達到最大重發次數，則進入低功耗狀態。
[0014]圖5顯示智能鑰匙的工作流程。在低頻感應區域內的智能鑰匙感應到喚醒信號后，從低功耗狀態退出，并檢查發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，則通過高頻模塊發送加密的ID ;如果當前接收的低頻信號不合法，則不發送加密的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，所以它能夠實現在紐扣電池工作下使用時間大于I年。
[0015]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送和接收天線都設計比較高的增益。這2種類型的發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送天線發送低頻信號，鑰匙通過判斷不同低頻天線發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。
【發明內容】
[0016]為了克服已有智能鎖系統的無法有效區分鑰匙位于門內還是門外、安全性較差的不足，本發明提供了一種有效區分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好的基于高頻天線特征判別的智能鎖系統。
[0017]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0018]一種基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，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、觸發模塊、低頻發送模塊及低頻發送天線、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、高頻發送模塊及高頻發送天線；所述高頻接收天線為用以接收門外信號并抑制門內信號的半球面輻射天線，所述高頻接收天線的輻射范圍為門外。
[0019]進一步,所述高頻接收天線為PCB偶極天線。當然,也可以采用其他半球面福射的天線。
[0020]再進一步，所述智能鎖基站中，所述觸發模塊接收到用戶觸發開鎖信號后，喚醒基站主控模塊進入通信狀態，基站主控模塊控制低頻發送模塊通過低頻發送天線發送無線低頻喚醒信號，高頻接收模塊通過高頻接收天線等待接收位于門外的智能鑰匙返回的高頻無線信號；
[0021]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，控制高頻發送模塊通過高頻發送天線發送無線高頻ID信號到智能鎖基站；
[0022]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。
[0023]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，等待再次被喚醒。
[0024]本發明的技術構思為:對智能鎖基站的高頻接收天線的輻射方向進行優化，將原本全向均勻的輻射的天線優化為半球面輻射，即天線正面的輻射保持不變，背面的輻射盡可能抑制。這樣天線被安裝到門上后，門正面(門外)可正常接收到信號，而門背后(門內)由于其輻射已經被盡可能的抑制，所以就做到了門內無法開鎖。低頻信號在該方案中不被抑制，所以這種方案中鑰匙在門內仍然可以被喚醒，但無法開鎖。
[0025]本發明的有益效果主要表現在:有效區分鑰匙位于門內還是門外、安全性良好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是智能鎖的基本功能框圖。
[0027]圖2是電機驅動電路實例。
[0028]圖3是高頻接收模塊的尺寸與原理圖。[0029]圖4是傳統智能鎖基站的工作流程圖。
[0030]圖5是傳統智能鑰匙的工作流程。
[0031]圖6是非對稱輻射的偶極PCB天線的輻射方向圖，其中，(a)為xz平面，(b)為yz平面。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0033]參照圖1?圖6，一種基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，包括智能鎖基站和智能鑰匙，智能鎖基站包括基站主控模塊11、觸發模塊12、低頻發送模塊13及低頻天線14、高頻接收模塊15及高頻接收天線16和電機驅動模塊17 ;智能鑰匙包括鑰匙主控模塊21、低頻接收模塊22及低頻天接收線23、高頻發送模塊24及高頻發送天線25 ；
[0034]所述高頻接收天線16為用以接收門外信號并抑制門內信號的半球面輻射天線，所述高頻接收天線16的輻射范圍為門外。
[0035]進一步，所述高頻接收天線16為PCB偶極天線。當然，也可以采用其他半球面福射的天線。
[0036]智能鎖基站的觸發模塊17接收到用戶觸發開鎖信號后，喚醒基站主控模塊11進入通信狀態，基站主控模塊11控制低頻發送模塊13通過低頻發送天線14發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。智能鑰匙的低頻天線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控制高頻發送模塊通過高頻天線24發送無線高頻ID信號到智能鎖基站。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。
[0037]智能鎖基站被觸發并發送低頻喚醒信號后，在一定的時間間隔內如果沒有收到智能鑰匙返回的高頻信號，則進入低功耗狀態。
[0038]智能鎖基站的高頻接收天線16為半球面輻射天線，即采用非對稱的輻射方式，面向門外方向接收高頻信號的能力強，面向門內方向接收高頻信號的能力弱。
[0039]通過調整智能鑰匙的發送功率，確保智能鎖基站無法接收門內智能鑰匙發送的高頻信號或無法接收到門內某一特定距離以外智能鑰匙發送的信號，智能鑰匙在門外一定距離以內發送的信號均可被智能鎖基站成功接收。
[0040]由于非對稱輻射的高頻接收天線接收到門內智能鑰匙的信號能力很弱，智能鎖基站通過設置一個接收到高頻信號強度的閾值，超過該閾值的信號認為是在門外正常信號，低于該閾值的信號認為是門內發送的無效信號。
[0041]本實施例中，采用非對稱輻射高頻天線的智能鎖基站實施實例，具體的實施方案如下:優化了傳統的PKE智能鎖基站的高頻接收天線。傳統智能鎖基站的高頻接收天線能夠接收以天線為中心360度空間范圍內的信號，這就使得智能鎖基站能夠在門內較大范圍內接收到門內鑰匙發送的高頻信號。本實施例對天線的輻射方向進行了優化，門正面方向接收輻射強度的能力與傳統高頻天線的相同，但門內方向接收輻射強度的能力進行最大范圍的抑制。這樣的天線將使得智能鎖基站不能接收門內鑰匙發送的信號或者只能在極短的范圍內接收到門內鑰匙發送的信號，從而提升了智能鎖的安全級別。具有該特性天線可以采用PCB偶極天線，它的輻射方向圖如圖6所示。這一類的天線包括但不僅限于PCB偶極天線，任何具有非對稱輻射方式的天線都屬于被專利的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，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、觸發模塊、低頻發送模塊及低頻發送天線、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、高頻發送模塊及高頻發送天線；其特征在于:所述高頻接收天線為用以接收門外信號并抑制門內信號的半球面輻射天線，所述高頻接收天線的輻射范圍為門外。
2.如權利要求1所述的基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，其特征在于:所述高頻接收天線為PCB偶極天線。
3.如權利要求1或2所述的基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，其特征在于:所述智能鎖基站中，所述觸發模塊接收到用戶觸發開鎖信號后，喚醒基站主控模塊進入通信狀態，基站主控模塊控制低頻發送模塊通過低頻發送天線發送無線低頻喚醒信號，高頻接收模塊通過高頻接收天線等待接收位于門外的智能鑰匙返回的高頻無線信號； 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，控制高頻發送模塊通過高頻發送天線發送無線高頻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所述的基于高頻天線特征判別的智能鎖系統，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，等待再次被喚醒。
【文檔編號】G07C9/00GK103971438SQ201410226523
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】阮宏鳴 申請人:阮宏鳴