雙頻技術與三維天線在RF遠距離門禁系統(tǒng)中的應用

□文/張瑞斌 董富庭

本系統(tǒng)應用于住宅社區(qū)，用戶只要身上攜帶著智能電子鑰匙，用戶只需靠近門口主機（或輕觸開關），門鎖就自動打開，用戶便可以直接進門，省去放下東西，花時間翻找門禁卡，然后刷卡的麻煩，有效的提升了我們產(chǎn)品的用戶體驗，方便了用戶的出入行。本設計關鍵技術點在于基站端能夠通過低頻喚醒技術，將用戶身上攜帶的電子鑰匙（應答器）喚醒，并響應門禁系統(tǒng)的開鎖活動。

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)存在的安全漏洞

早期的門禁系統(tǒng)主要是用金屬實體鑰匙來進行開鎖控制。其弊端是安全性極低。后來發(fā)展出密碼門禁，近距離非接觸式IC卡門禁，指紋識別門禁等等各種各樣的門禁系統(tǒng)，各有優(yōu)缺點。

密碼門禁密碼易泄漏

密碼門禁是通過輸入密碼，系統(tǒng)判斷密碼正確就驅動電鎖，打開門放行。 但是其缺點是速度慢，輸入密碼一般需要好幾秒中，如果進出的人員過多，需要排隊。如果輸入錯誤，還需重新輸入，耗時更長。安全性差，旁邊的人容易通過手勢記住別人的密碼，密碼 容易忘記或者泄露。

刷卡門禁卡片易損壞和丟失

刷卡門禁是根據(jù)卡的種類又分為接觸卡門禁系統(tǒng)(磁條卡、條碼卡)和非接觸卡(又叫感應卡、射頻卡)門禁系統(tǒng)。 接觸卡門禁系統(tǒng)由于接觸卡片容易磨損，使用次數(shù)不多，卡片容易損壞、丟失等，使用的范圍已經(jīng)越來越少了，只在和銀行卡(磁條卡)有關的場合被使用。非接觸IC卡，由于其耐用性、性價比好、讀取速度快、安全性高等優(yōu)勢是當前門禁系統(tǒng)的主流。所以，當前很多人就把非接觸IC卡門禁系統(tǒng)簡稱為門禁系統(tǒng)了，但也存在容易復制，破解的風險。

生物識別門禁后臺數(shù)據(jù)安全成擔憂

生物識別門禁是未來的發(fā)展趨勢，在防范保護作用比傳統(tǒng)門禁要安全許多。但由于技術的限制及成本問題，在普通住宅用戶中仍未普及。

RF遠距離門禁系統(tǒng)成為趨勢

RF遠距離門禁系統(tǒng)的核心是方便舒適，安全可靠。是未來主流智能門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)的樓宇門禁控制功能之外，借鑒時下流行的汽車電子PKE技術，實現(xiàn)樓宇門禁免掏免刷卡出入功能。

典型的應用場景如圖1，當攜帶著電子鑰匙（應答器）的用戶走近門禁，將自動觸發(fā)開門裝置，無需翻找掏出門禁鑰匙，便可以開啟門禁鎖，輕松進入門內。而未攜帶對應電子鑰匙的用戶則不能開啟門禁。

▲圖1 應用場景示意圖

RF遠距離門禁系統(tǒng)組成

本門禁子系統(tǒng)主要包括基站（RF讀寫器）和鑰匙端兩部分（見圖2、圖3）?；灸K通過AJB總線接入門口主機系統(tǒng)，接受主機端發(fā)來的控制命令，也通過與主機連接（聯(lián)網(wǎng)型主機），可以將相關的信息發(fā)送到后臺，在管理中心統(tǒng)一管理用戶數(shù)據(jù)。智能電子鑰匙端的主要功能，就是在有效工作范圍內，由低頻模塊接收來自基站的低頻喚醒信號，喚醒睡眠中的主控和高頻部分，由主控部分來進行相關的門禁開鎖活動，通過HUF模塊與基站進行安全通信，完成門禁開鎖的任務。

▲圖2 門禁系統(tǒng)組成示意圖與說明

▲圖3 基站與鑰匙子系統(tǒng)示意圖

基站模塊結構

基站主要是作為一個模塊內嵌在樓宇對講門口主機內部（也可獨立出來作為一個設備），該部分主要采用MCU+UHF+LF組合的形式（如圖4）。MCU采用MSP430F2274單片機作為主控芯片，該處理器是一片16 位超低功耗微控制器，具有32KB 閃存和 1K RAM。采用16位精簡指令集, 并集成了16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器,極大的提高了代碼的執(zhí)行效率。HUF模塊，采用TI的CC1101芯片方案。CC1101模塊（RF高頻模塊）工作在433MHz頻段。LF低頻模塊部分是由單片機引腳輸出PWM方波，到MOSFET驅動器 （TC4422），TC4422是一個是強電流緩沖器/驅動器，能夠驅動大功率MOSFET和IGBT，進而驅動由電感線圈（L）和電容（C）組成的諧振電路，向外發(fā)射125KHz 的喚醒信號。

▲圖4 基站內部模塊示意圖

▲圖5 基站模塊流程

智能電子鑰匙模塊結構

如圖6，鑰匙端（應答器）主要包括三部分：MCU（MSP430F2132）、UHF模塊（CC1101）和低頻模塊（AS3933+三維天線）。

▲圖6 鑰匙端模塊示意圖

MCU采用的是TI的MSP430F2132，該芯片是16 位超低功耗微控制器，具有 8kB 閃存、512B RAM、10 位 ADC 和 USCI。UHF模塊采用的是與基站端相同的CC1101高頻模塊。為了能夠從各個方向來接收低頻喚醒信號，鑰匙端的低頻接收模塊采用了奧地利微電子公司的AS3933芯片配合三維天線作為低頻信號的接收器件。喚醒接收器有3個獨立的接收通道，可以檢測接收來自任意方向的喚醒信號。接收到的數(shù)據(jù)可以與一個模式數(shù)據(jù)相比較，該模式數(shù)據(jù)可以在寄存器內編程設定，并可防止錯誤喚醒。

智能電子鑰匙模塊處理流程

▲圖7 智能電子鑰匙模塊處理流程

三維低功耗喚醒接收器（AS3933+三維天線）

三維低功耗喚醒接收器主要包括AS3933芯片和NEWIC ELECTRONIC CO.,LTD的3AX12-0720J三合一低頻三維接收天線。AS3933是奧地利微電子公司的3通道低頻喚醒接收器，實現(xiàn)電池供電系統(tǒng)的遠程喚醒功能。AS3933具有80 μVrms敏感度，可對喚醒范圍進行優(yōu)化，其2.7 μA超低電流消耗也極大地延長了電池壽命。AS3933的接收頻率范圍為15 至150 kHz。AS3933為每個工作通道提供了一個數(shù)字RSSI（接收信號強度指示）值，并支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時鐘恢復的曼徹斯特解碼。它還包括一個由晶體振蕩器或內部RC振蕩器產(chǎn)生的內部時鐘發(fā)生器，且AS3933在同類器件中首次提供了內置自動天線調諧器，可將天線調諧到所需的載波頻率。AS3933的可編程功能允許為更長的距離進行優(yōu)化設置，同時保持可靠的“喚醒”。AS3933的靈敏度級別可在較強的射頻場或噪聲環(huán)境下進行調節(jié)。天線調諧得到了極大簡化，因其自動調諧功能可確保完美匹配所需的載波頻率。AS3933工作電壓為3.0 V，工作溫度范圍為-40至+85℃。該器件采用16引腳TSSOP和16引腳QFN (4 mm x 4 mm)封裝。

AS3933有兩種喚醒模式：

檢測到頻率與寄存器中設置的頻率一致喚醒，這個方式易受干擾；檢測到頻率與寄存器中設置的頻率一致并且模式值也與寄存器中設置的值一致才喚醒，這種方式有較好的抗干擾能力，我們的設計中采用的就是該種方法。NEWIC ELECTRONIC CO.,LTD的3AX12-0720J三合一低頻三維接收天線,在本系統(tǒng)中，我們的三維低功耗喚醒接收器工作于125KHz。 通過采用這樣一款三維接收天線與奧地利微電子公司AS3933芯片配合，使得電子鑰匙無論從哪個方向接收到基站發(fā)來的低頻喚醒信號，都能夠成功捕獲并處理。然后喚醒MCU ，并將低頻信號中的PATTERN碼傳給MCU，進行下一步的處理工作。

▲圖8 低頻三維接收天線（不帶外殼封裝）

低頻三維接收天線的工作流程如下圖：

▲圖9 低頻三維接收器的工作流程圖

RF遠距離門禁技術難點

工作范圍控制和鑰匙定位

由于本設計的應用特殊性，我們要求實現(xiàn)鑰匙與門禁在一定距離范圍內（2m）才可觸發(fā)門禁系統(tǒng)工作?？紤]的是使用舒適與便捷性和安全性的考慮。在有效工作距離的控制上，我們起初只是應用433MHz高頻技術來完成我們的設計，但是我們開發(fā)的過程中遇到了工作距離很難有效控制在2m范圍內。降低基站發(fā)射功率的話，又會造成通信不穩(wěn)定的問題。

另外一個問題是門內外鑰匙定位的問題，因為本身高頻433MHz的通信頻率，用于做2m內的通信距離控制和定位是比較困難的，RSSI值的波動很大，我們嘗試了各種辦法，任無法做到較精確的定位。最后是受到汽車電子PKE技術的啟發(fā)，將雙頻技術應用到本設計中，加入了125KHz低頻模塊。由于低頻通信技術的特點，我們能夠比較容易控制其空間通信的距離。通過兩個低頻125KHz收發(fā)天線的合理布局，實現(xiàn)了門內外定位鑰匙的功能，能夠有效防止了尾隨入門和非法出入的可能。

觸發(fā)方式

本設計中，啟動門禁系統(tǒng)基站部分向外發(fā)射125KHz低頻信號的裝置，可以有多種方式。周期性定時向外發(fā)射。該方法的好處是可以完全不用用戶手動去觸發(fā)系統(tǒng)，只要用戶攜帶有效的要是，走進了門禁系統(tǒng)的有效工作范圍之內，那么門禁就會自動觸發(fā)，主動將門禁系統(tǒng)解鎖，用戶便可直接進入門內，給用戶一種高效智能舒適大方的門禁解鎖體驗。

熱釋電紅外觸發(fā)方式。通過在門禁合適的地方外接一個熱釋電紅外設備輔助檢測有無人體靠近，若在有效范圍內檢測到有紅外放射物體接近，那么久發(fā)出信號，觸發(fā)門禁基站向外發(fā)射125KHz低頻喚醒信號，若是檢測到有效的鑰匙回應，那么久能夠成功開啟門禁。但是如果檢測到阿貓阿狗之類的出現(xiàn)在監(jiān)測范圍內，也有可能誤觸發(fā)門禁裝置。而且熱釋電紅外探頭的質量和穩(wěn)定性也很難控制的好。鑰匙主動觸發(fā)。鑰匙上設置有開鎖按鈕，用戶可以通過按下電子鑰匙上的開鎖按鈕，來觸發(fā)門禁系統(tǒng)的開鎖動作。

按鍵式被動觸發(fā)。通過在門禁處設置一個按鈕（主機上或者是門把手上），當用戶用手按下該按鈕，則啟動門禁系統(tǒng)基站向外發(fā)射125KHz低頻喚醒信號，若檢測到有效鑰匙回應，則成功開啟門禁，門禁解鎖，該過程正常情況下不會超過1s ，所以體驗上完全可以接受。并且本方法穩(wěn)定安全，可控性好，遂作為默認的提供方式。

功耗控制

功耗控制主要是對于鑰匙端來說的。電子鑰匙使用的是RC 2032型紐扣電池。

功耗的控制非常重要，我們在采取的功耗控制手段有：在非工作時段中，使不必要的模塊（如MCU，高頻通信模塊等）進入休眠狀態(tài)；讓三維接收天線工作在一個合適的周期頻率中。三根接收天線輪流間歇性工作，最大限度的節(jié)省能量損耗。通過不斷調整和測試，我們可以做到正常使用狀態(tài)下，一粒紐扣鋰電池正常使用，至少可以使用12個月以上的時間。

多卡防碰撞

門禁系統(tǒng)不可避免的，可能會遇到多張卡同時出現(xiàn)在基站有效工作范圍內。此時基站發(fā)出的低頻喚醒信號會被多把電子鑰匙同時接收到，若多把鑰匙同事給基站回應，則很容易發(fā)生多卡碰撞的情況，導致電子鑰匙認證失敗。為了避免這樣的情況發(fā)生，我們在電子鑰匙端的回應機制上加入了防碰撞檢測機制，采用信道偵聽檢測，避免碰撞的算法，隨機延時重發(fā)機制，可以有效避免多方碰撞的問題。

結束語

通過雙頻技術和三維天線的技術的加入，使得本門禁系統(tǒng)能夠得以順利實現(xiàn)。真正做到了免掏免刷出入門禁系統(tǒng)的效果。解決了關鍵的有效工作距離范圍控制和門內外定位問題。讓我們的門禁系統(tǒng)更智能化，更方便用戶的出入行。極大的提升了我司門禁系統(tǒng)產(chǎn)品行業(yè)領域產(chǎn)品的檔次。大大改善了用戶的使用效果。