新型超低功耗電子密碼鎖設(shè)計(jì)

王麗君，李 萌

（1.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.南華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽421001）

新型超低功耗電子密碼鎖設(shè)計(jì)

王麗君1，李 萌2

（1.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.南華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽421001）

文中介紹了一種新型的超低功耗電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案。該密碼鎖能實(shí)現(xiàn)密碼開鎖、自動(dòng)落鎖、修改密碼、異常情況報(bào)警及門鈴等功能。鎖體主要采用ALTER公司的EP3C40Q240C8芯片來完成密碼識(shí)別和開鎖控制、密碼的存儲(chǔ)和修改等。整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，安全可靠，功耗極低，有很強(qiáng)的實(shí)用性和通用性。

電子密碼鎖；報(bào)警；門鈴；自動(dòng)落鎖；功耗

安全防盜一直是社會(huì)關(guān)注的話題，如何制作安全可靠、使用方便的各種防盜鎖，是全社會(huì)迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的機(jī)械彈子鎖由于結(jié)構(gòu)上的局限，容易被仿制，保密性差，且需要隨身攜帶。而機(jī)械密碼鎖密碼量少、安全性能差，制造精度要求較高，且容易出現(xiàn)故障，已難以滿足當(dāng)前家庭防盜要求[1]。

電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制芯片工作，進(jìn)而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品[2]。它以電子方式識(shí)別、處理相關(guān)信息并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]，相比傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具，保密性、便捷性、精度都有很大提高，且具有防盜報(bào)警功能[4]，因而人們對(duì)電子密碼鎖愈加青睞。目前，電子密碼鎖的使用非常廣泛，可用于不需要集中處理的獨(dú)立用戶，如私人住宅、車庫、保險(xiǎn)柜及允許多人進(jìn)入的小型辦公樓等[5]。文中設(shè)計(jì)了一種具有密碼開鎖、自動(dòng)落鎖、改密、異常情況報(bào)警及門鈴等功能特點(diǎn)的智能電子密碼鎖。它采用片內(nèi)資源豐富的“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array FPGA）”EP3C40Q240C8 完成核心控制功能，結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚ㄟ^編程來實(shí)現(xiàn)。由于FPGA的掉電易失性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要配一片配置芯片[6]。該電子密碼鎖具有以下功能特點(diǎn)：1）有極低的隨機(jī)破碼率，能隨時(shí)修改密碼，保密性好；2）兩種方式開鎖，操作簡單，使用方便；3）按鍵輸入聲音提示；4）誤碼輸入保護(hù)，3次輸入錯(cuò)碼報(bào)警；5）通用性強(qiáng)，可根據(jù)需要，安裝在不同的設(shè)備上；6）多功能防塵罩設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)功耗極低[7]。

1 實(shí)現(xiàn)流程

電子密碼鎖實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

由圖1可知，該電子密碼鎖的主要流程有兩個(gè)：室外密碼開鎖及非法開啟報(bào)警；室內(nèi)修改密碼。

室外開鎖時(shí)，用戶通過按鍵輸入4位密碼，按下“確認(rèn)”鍵后，F(xiàn)PGA將輸入密碼與設(shè)定密碼進(jìn)行比對(duì)，密碼正確則開鎖，關(guān)門后可自動(dòng)落鎖。若密碼連續(xù)3次輸入錯(cuò)誤，則啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，由蜂鳴器發(fā)聲實(shí)現(xiàn)[8]。修改密碼鍵設(shè)在室內(nèi)，能有效防止外人非法開啟。

設(shè)計(jì)中巧妙地加裝了一個(gè)三重作用的防塵罩。在電子密碼鎖的電源回路中，接了一個(gè)常開按鈕開關(guān)，平時(shí)斷開，電子密碼鎖處于休眠狀態(tài)，這就大大降低了全系統(tǒng)的功耗。當(dāng)防塵罩掀起時(shí)，轉(zhuǎn)接口剛好按壓在開關(guān)上，開關(guān)閉合，接通電源回路，系統(tǒng)被喚醒，轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，電子鎖也開始工作[9]。除了防塵，該裝置還可在輸入密碼時(shí)起到遮擋防偷窺作用。防塵罩設(shè)計(jì)如圖2所示。室內(nèi)采用轉(zhuǎn)動(dòng)門把手機(jī)械開鎖，這樣可以不必耗電，故電子密碼鎖平時(shí)無需處于待機(jī)模式，功耗極低，這是該設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)所在。

圖1 電子密碼鎖流程圖

圖2 防塵罩設(shè)計(jì)及電磁鎖控制示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)以FPGA為控制核心，加以合適的外圍器件共同組成。FPGA體積小，容量大，功能強(qiáng)，內(nèi)部資源豐富，最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)[10]。該設(shè)計(jì)的控制電路部分均在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)，因此，整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都變得相對(duì)簡單。FPGA控制系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)圖

圖4 FPGA控制系統(tǒng)電路圖

2.1 上電自動(dòng)復(fù)位模塊

當(dāng)掀開防塵罩后，接通電源，系統(tǒng)被喚醒并自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)持續(xù)0.125s，可以避免因電源閉合過程引起抖動(dòng)而影響復(fù)位[11]。因復(fù)位有效信號(hào)足夠短，并不會(huì)影響人對(duì)電子鎖的正常操作。

2.2 鍵盤接口與編碼

密碼采用串行輸入方式，這樣只需4位密碼（可重復(fù)）就有10的4次方（1萬次）種不同組合，可以杜絕非授權(quán)用戶通過非法試探的方式試圖解鎖，破碼率幾乎為0。功能鍵有5個(gè)，“確認(rèn)”鍵用于密碼輸入及修改后確認(rèn)，“改密”鍵用于修改密碼，“清除”鍵用于清除錯(cuò)誤輸入，“復(fù)位”鍵用于系統(tǒng)復(fù)位，另加一個(gè)“門鈴”鍵。

圖4的keyin模塊中，key[9..0]為0～9數(shù)字鍵，用于密碼的輸入和修改。時(shí)鐘clk0的頻率為8 Hz。外部12 M石英晶體振蕩產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)處理后得到12 MHz的方波，通過FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)分頻得到穩(wěn)定的頻率為4 kHz的信號(hào)，再經(jīng)分頻器分頻后得到脈寬足夠?qū)挼? Hz的方波作為時(shí)鐘clk0[12]。在clk0的驅(qū)動(dòng)下，每輸入一位密碼，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的四位二進(jìn)制從out0[3..0]輸出送至寄存器模塊reg1或reg2。如輸入在按鍵“3”上，key[9..0]為“0000001000”，編碼后為“0011”。一次編碼后必須等到按鍵全部釋放，即key[9..0]為全0后，clk0才會(huì)檢測(cè)下一個(gè)按鍵輸入，這樣可以避免同一個(gè)按鍵被多次采集。clr為“清除”鍵，輸入有錯(cuò)誤時(shí)，每按一次清除一位。reset為“復(fù)位”鍵，上電后或按下有效，持續(xù)1個(gè)時(shí)鐘周期約0.125秒。

2.3 密碼輸入寄存器

reg1用于存儲(chǔ)閉室外密碼輸入。modify為 “改密”鍵，按下為高電平有效。當(dāng)它為低電平時(shí)，為正常輸入密碼狀態(tài)，由clk0驅(qū)動(dòng)，按下enter（確認(rèn)）鍵后，將輸入的4個(gè)四位邏輯矢量通過右移方式依次存入out1[15..0][13]。

reg2用于存儲(chǔ)室內(nèi)更改的密碼輸入。當(dāng)modify按下，可以修改密碼。連續(xù)兩次輸入相同的密碼，按下“確認(rèn)”鍵后，將更改后的密碼存入out2[15..0]。因?yàn)椤案拿堋辨I設(shè)在室內(nèi)，可在按鍵后直接改密，而無需輸入舊密碼。

時(shí)鐘clk1和clk2的有效性跟clk0保持一致，所以寄存器在有按鍵輸入時(shí)右移一次，在按鍵全被彈起后，再次有按鍵輸入時(shí)才會(huì)繼續(xù)右移。

2.4 密碼比較與聲音控制模塊

master模塊主要完成輸入密碼比較和聲音控制功能。當(dāng)按下“確認(rèn)”鍵，enter為高電平時(shí)，將輸入的密碼out1與設(shè)定密碼out2進(jìn)行比較，若密碼完全正確，ope引腳輸出高電平，開鎖。高電平持續(xù)10秒，同時(shí)green為高電平，點(diǎn)亮綠燈。若密碼不正確，可重新輸入密碼，同時(shí)錯(cuò)碼計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)錯(cuò)碼計(jì)數(shù)器為3時(shí)，red為高電平，點(diǎn)亮紅燈，同時(shí)buzz為高電平，啟動(dòng)報(bào)警模塊[14]。

master模塊同時(shí)也實(shí)現(xiàn)報(bào)警電路、門鈴和按鍵的聲音輸出控制。keyin模塊只要有鍵按下，h0輸出高電平，與reg2模塊的modify按鍵通過二輸入或門相或后送至master模塊的h1端口。端口h1和enter任何一個(gè)為高電平，都會(huì)給buzz一個(gè)高電平，所以只要有鍵按下，蜂鳴器就會(huì)在高電平持續(xù)時(shí)間發(fā)出“滴”的聲音，提示按鍵有效，既巧妙地提醒了用戶，又保護(hù)了用戶密碼。當(dāng)密碼連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤，buzz的高電平持續(xù)10秒，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，10秒后復(fù)位。當(dāng)bell（門鈴鍵）按下為高電平時(shí)，高電平以1秒間隔交替在buzz與buzz1上輸出。buzz與buzz1分別外接了三極管進(jìn)行電流放大后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)聲頻率不同的壓電式蜂鳴器，所以可以發(fā)出兩種不同的聲音作為門鈴使用。

2.5 執(zhí)行模塊

電磁鎖主要由三極管和繼電器構(gòu)成，其控制示意圖見圖2。繼電器在電路中起著安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器的線圈一端接直流電源，另一端接在三極管的集電極。電磁鎖鐵心固定在一端，銜鐵由彈簧固定在鐵心上方。三極管的基極接至FPGA的OPEN端。當(dāng)FPGA輸出的OPEN為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈上有電流，產(chǎn)生吸合力，克服彈簧阻力吸合銜鐵，電子鎖開鎖。當(dāng)OPEN為低電平時(shí)，三極管截止，繼電器線圈上無電流，銜鐵在彈簧力作用下釋放，回復(fù)到初始位置，實(shí)現(xiàn)電流消失自動(dòng)落鎖功能。由于電路只在開鎖時(shí)才耗電，整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常低[15]。

2.6 電源管理模塊

電子鎖最大的一個(gè)問題就是斷電，造成密碼鎖電路失效，打不開電子鎖。本設(shè)計(jì)采用兩套供電裝置，可以很好的解決這個(gè)問題。電池盒安裝在室內(nèi)，平時(shí)采用干電池供電。在室外也外接了電子鎖的供電電源孔，可以接入電池盒（帶插頭）或移動(dòng)電源作為應(yīng)急電源，保證電子鎖的正常工作。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、體積小，實(shí)現(xiàn)了電子密碼鎖的基本功能，比較其它各類鎖具，具有自動(dòng)落鎖、防塵節(jié)電兩大明顯優(yōu)勢(shì)，在使用的方便性、防非法開啟、智能管理等方面是機(jī)械鎖無法比擬的，可用于多種場(chǎng)合，具有良好的可移植性和可靠性，市場(chǎng)前景廣闊。但由于電子密碼鎖機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)故障，一般的開鎖人員不具備維修能力，故而維護(hù)時(shí)效性較差，可采用電子開鎖和機(jī)械應(yīng)急開鎖相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彌補(bǔ)此缺陷。另外可加裝震動(dòng)報(bào)警裝置，防止暴力開啟門鎖；加裝室內(nèi)遙控開鎖、錯(cuò)碼遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

[1]王洪平，田進(jìn).電子防盜鎖的應(yīng)用于設(shè)計(jì)[J].門窗，2009（2）：52-55.

[2]孫煒程，周曉宇，張 華.指紋識(shí)別式電子密碼鎖設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2015（4）：32-34.

[3]酈曉玲.信息背景下電子鎖的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（36）：14-15.

[4]顧光旭.智能密碼電子鎖設(shè)計(jì) [J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（1）：49-52.

[5]姚龍.基于單片機(jī)與串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)分析[J].電子世界，2014（15）：35.

[6]劉笑嫘，何廣平.FPGA芯片的配置與下載[J].科技信息，2011（15）：109-110.

[7]邱玉娟.用串行ROM和AT89C51實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖[J].電腦知識(shí)與計(jì)數(shù)，2005（11）：18-20.

[8]王府井，陳凱元.應(yīng)用AT89C2051單片機(jī)設(shè)計(jì)電子密碼鎖[J].電子制作，2014（23）：13-14.

[9]曾雄飛.一種機(jī)械電子鎖[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015（44）：65-67.

[10]張素萍，高照陽，張建芬.基于FPGA和ARM的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（8）：110-113.

[11]劉振忠.雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)電器及其應(yīng)用[J].電器與能效管理技術(shù)，2015（1）：73-78.

[12]李超然，鄭建生，林炳章.基于 FPGA的同步脈沖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信技術(shù)，2011（6）44:6-8.

[13]王香云.基于單片機(jī)的電子日歷設(shè)計(jì)[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（1）13:57-61.

[14]湯朝霞.基于VHDL的數(shù)字密碼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技，2011（3）：97-98.

[15]白旭升.電子密碼鎖[J].電子世界，2013（2）：33.

A new design of ultra-low power consumption electronic combination lock

WANG Li-jun1，LI Meng2
（1.School of Electric Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.School of Computer Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，China）

Introduce a new design of ultra-low power consumption electronic combination lock.It has functions of password unlocking， automatic locking， password modifying， abnormity warning and doorbell.With chip EP3C40Q240C8 produced by ALTER Corporation，it can realize password identifying， unlock control， password saving and modifying， etc.The whole system is simple operation，safe and reliable，low-power dissipation.It has very good practicability and universality.

electronic combination lock；alarm；doorbell；automatic lock up；power consumption

TN4

：A

：1674－6236（2017）15-0145-03

2016-07-05稿件編號(hào)：201607031

王麗君（1979—），女，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：電子信息工程。