基于RFID技術(shù)的低功耗汽車門禁系統(tǒng)

胡 威，張建新

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，傳統(tǒng)的RKE(remote keyless entry)系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足車主對汽車門禁功能的要求［1］。新型PKE 系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)設(shè)計技術(shù)基本由少數(shù)外企掌握，使得PKE 產(chǎn)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(yīng)用［3］。目前，在國內(nèi)只有少數(shù)高檔汽車才能夠配備PKE 系統(tǒng)［4］，因此，面對不斷發(fā)展的中國汽車消費市場，對PKE 系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，不僅能給汽車消費群體帶來便利，更有利于整個汽車行業(yè)的發(fā)展。

廣大研究者一直致力于RFID 技術(shù)的研究，并且應(yīng)用到了不同的領(lǐng)域中，但是主要關(guān)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(fā)電路及通信加密算法。Yuping Su 等［5］在RFID 系統(tǒng)設(shè)計中加入了顯示模塊及功率放大電路，且發(fā)射臺一直處于發(fā)碼狀態(tài)，能耗比較大;Qi Zhang 等［6］在低功率射頻收發(fā)器的設(shè)計中，RF 收發(fā)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(jié)果表明接收器在帶寬為915 MHz 數(shù)據(jù)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(biāo)簽RFID 通信協(xié)議，該協(xié)議使用靜態(tài)標(biāo)示符，單調(diào)遞增的時間戳，該協(xié)議表明它可以節(jié)約存儲空間及減少計算，但降低了通信安全系數(shù)。

為降低系統(tǒng)的功耗，本研究主要改進(jìn)了高、低頻收發(fā)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(jié)合、功能完善及低功耗的汽車門禁系統(tǒng)的設(shè)計方案是RFID 技術(shù)在汽車門禁系統(tǒng)中的一次成功應(yīng)用［8］，對中國國產(chǎn)汽車行業(yè)的迅速全面發(fā)展具有重要的的意義［9］。

1 基于RFID 汽車門禁系統(tǒng)設(shè)計方案

1．1 工作原理

在一輛汽車中，門禁系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)開啟車門功能，并解除安防系統(tǒng)，同樣駕駛者離開車時只需按下觸摸鍵即可實現(xiàn)汽車鎖門功能，并使汽車安防系統(tǒng)處于設(shè)防狀態(tài)，整個開門鎖門的過程中，身份卡無需拿出。

圖1 門禁系統(tǒng)框圖

1．2 重難點

(1)低功耗。常用的低功耗設(shè)計方式有:選用低功耗的處理器、設(shè)計低功耗的電路、采用單電源低電壓喚醒、采用間歇式發(fā)送信號及軟件優(yōu)化、處理器采用休眠—喚醒模式等。在本研究的系統(tǒng)設(shè)計中，除了運用以上低功耗設(shè)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(jié)合的傳輸方式。這種傳輸方式優(yōu)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(xiàn)耦合，收發(fā)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(shè)置為休眠模式，從而減少不必要的能量消耗。當(dāng)按下觸摸按鍵或有其他外部中斷時，將喚醒處理器進(jìn)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(fā)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(tǒng)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(lián)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(xiàn)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(tǒng)中通信數(shù)據(jù)會先被加密［12］，解密成功后方可開門，有效地保證了系統(tǒng)的安全性。

該系統(tǒng)車身控制模塊低頻發(fā)送電路采用的數(shù)字調(diào)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(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合傳播的已調(diào)信號［13］。而傳輸?shù)臄?shù)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(qū)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(fā)送數(shù)據(jù)的錯碼問題及最大可能的降低功耗，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)報文由前導(dǎo)頭、同步頭、數(shù)據(jù)信息、后導(dǎo)頭組成，卡號與密碼進(jìn)行按位與加密，在解密的過程中，按照報文的發(fā)送順序進(jìn)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(tǒng)的硬件設(shè)計

2．1 車身控制模塊

車身控制模塊主要由主控單片機(jī)芯片、高頻接收模塊、低頻發(fā)送模塊、安防模塊、電機(jī)模塊、語音模塊、觸摸開關(guān)等組成。車身控制模塊電路設(shè)計原理圖如圖2 所示。

在該系統(tǒng)中，低頻發(fā)送模塊處理器采用單片機(jī)PIC16F1828 芯片，射頻芯片為美國德州儀器的TMS3705讀寫芯片［14］。該設(shè)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(tǒng)中通過PIC16F1828 的TMS3705 的調(diào)制電路設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 低頻發(fā)送模塊

單片機(jī)PIC16F1828 的工作電壓為1．8 V～5．5 V，電路中通過采用COMS 技術(shù)的三端口高電流低電壓穩(wěn)壓器HT7550 輸出5 V 電壓提供給單片機(jī)，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(shè)必須能在沒有系統(tǒng)時鐘的情況下工作。進(jìn)入休眠模式前，必須將相應(yīng)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(zhuǎn)到中斷向量，否則，處理器將繼續(xù)執(zhí)行SLEEP 指令后的指令。緊接SLEEP 指令后的指令總是會在跳轉(zhuǎn)到ISR 前執(zhí)行。該系統(tǒng)中單片機(jī)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(jī)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(qū)動天線，在天線端發(fā)送調(diào)制的頻率為134．2 kHz 的信號數(shù)據(jù)。

2．2 遙控鑰匙模塊

遙控鑰匙模塊主要由主控單片機(jī)芯片、高頻發(fā)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(shè)計原理圖如圖3 所示。

圖3 低頻接收模塊

該系統(tǒng)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(tài)，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(jiān)視，通過WAKE 引腳輸出來驅(qū)動外部設(shè)備，進(jìn)而喚醒單片機(jī)［16］。該芯片對來自多達(dá)3 個天線的信號進(jìn)行解調(diào)，如果天線正交放置，就可解調(diào)來自3 個坐標(biāo)(X、Y 和Z)的數(shù)據(jù)信息。這樣，即使汽車內(nèi)的基站天線是簡單、經(jīng)濟(jì)型的線圈天線，也可使無耦合的區(qū)域最?。?7］。在該次設(shè)計中，當(dāng)按下汽車門鎖上的觸摸按鍵，車身控制模塊會依次發(fā)出低頻信號，而遙控鑰匙一直處于接收狀態(tài)，卡接收到卡號比對成功后會通過高頻電路發(fā)送密碼，車身控制模塊接收到密碼比對成功可實現(xiàn)開門，并伴有開門及撤防的提示音。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)中的程序設(shè)計主要包括單片機(jī)初始化程序、按鍵判斷程序、發(fā)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(jī)控制程序、卡學(xué)習(xí)程序及清除鎖內(nèi)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(jī)PIC16F1828 有256 字節(jié)的EEPROM，EEPROM 的第一個字節(jié)存放卡的數(shù)量，第二字節(jié)開始存放卡號，程序初始化為:

(1)中斷位、預(yù)分頻器、ADC 通道設(shè)置;

(2)干電池上電的聲音，有語音播報;

(3)將卡號數(shù)量全部讀到內(nèi)存中;

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

當(dāng)單片機(jī)處于休眠狀態(tài)時，可通過外部中斷喚醒單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作，外部中斷通過檢測設(shè)置的狀態(tài)位DOOR_CHECK，標(biāo)志位為低是開門狀態(tài)，為高則繼續(xù)判斷學(xué)習(xí)狀態(tài)位，學(xué)習(xí)狀態(tài)位為低進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，按下身份卡上的按鍵卡登記成功，為高則是復(fù)位清除門鎖內(nèi)的卡信息。當(dāng)?shù)皖l發(fā)送卡號時，會連續(xù)發(fā)送5次，首先判斷卡號是否存在，若存在再進(jìn)行密碼比對，校驗成功后才可實現(xiàn)開門。

3．2 系統(tǒng)RFID 通信算法實現(xiàn)

系統(tǒng)采用的編碼方式為曼徹斯特編碼，數(shù)字調(diào)制方式為頻移鍵控，報文由前導(dǎo)頭、同步頭、數(shù)據(jù)信息、后導(dǎo)頭組成。

3．2．1 加密算法流程

高頻發(fā)送卡號與密碼時，卡號與密碼會先被加密，按位發(fā)送時，發(fā)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(fā)送前會被加密，前導(dǎo)頭為10 ms 低電平和10 ms 高電平，同步頭為500 μs 高電平，后導(dǎo)頭為500 μs 高電平。在該系統(tǒng)中加密的方式是卡號與密碼分別與校驗碼進(jìn)行異或運算，測試用的校驗碼為十六進(jìn)制數(shù)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(fā)送的信息后，會進(jìn)行解碼比對，解密即將接收到的卡號與密碼與校驗碼進(jìn)行異或運算，得到的結(jié)果與門鎖中的卡號與密碼比對，比對成功實現(xiàn)開門功能，其流程圖如圖5 所示。

4 結(jié)束語

本研究旨在設(shè)計一種基于RFID 汽車無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)［18］，通過按下觸摸鍵喚醒處于休眠單片機(jī)，達(dá)到無鑰匙開門的目的。通過實驗測試，該系統(tǒng)在1．5 m以內(nèi)可正確識別車主，門鎖主控板靜態(tài)電流為9．27 μA，工作電流為80 mA，身份卡靜態(tài)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(guān)閉車門，同時連接安防系統(tǒng)實現(xiàn)撤防和設(shè)防，若鑰匙丟失可通過刪除門鎖內(nèi)鑰匙信息及新鑰匙學(xué)習(xí)功能得以解決。

圖5 解密流程圖

該系統(tǒng)的優(yōu)點主要有:①系統(tǒng)功能的進(jìn)一步優(yōu)化及系統(tǒng)的易操作性;加入了安防系統(tǒng)及語音系統(tǒng)。②系統(tǒng)硬件設(shè)計上通過采用按下觸摸鍵喚醒處于休眠單片機(jī)的機(jī)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(shè)計上采用優(yōu)先驗證卡號的數(shù)量的方法降低系統(tǒng)功耗。③在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}上，通過無線通信過程中數(shù)據(jù)的加密、解密，不斷優(yōu)化發(fā)碼的頻率及時間，低頻發(fā)碼時間20 ms/次，高頻發(fā)碼時間為60 ms/次。在不增大誤碼率的前提下優(yōu)化算法，不但降低了發(fā)碼的能耗，并且有效地保證了數(shù)據(jù)的保密性、安全性［19］。

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