雙頻技術(shù)與三維天線在RF遠(yuǎn)距離門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/張瑞斌 董富庭

本系統(tǒng)應(yīng)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(jī)（或輕觸開關(guān)），門鎖就自動(dòng)打開，用戶便可以直接進(jìn)門，省去放下東西，花時(shí)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(yàn)，方便了用戶的出入行。本設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于基站端能夠通過(guò)低頻喚醒技術(shù)，將用戶身上攜帶的電子鑰匙（應(yīng)答器）喚醒，并響應(yīng)門禁系統(tǒng)的開鎖活動(dòng)。

傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)

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

密碼門禁密碼易泄漏

密碼門禁是通過(guò)輸入密碼，系統(tǒng)判斷密碼正確就驅(qū)動(dòng)電鎖，打開門放行。 但是其缺點(diǎn)是速度慢，輸入密碼一般需要好幾秒中，如果進(jìn)出的人員過(guò)多，需要排隊(duì)。如果輸入錯(cuò)誤，還需重新輸入，耗時(shí)更長(zhǎng)。安全性差，旁邊的人容易通過(guò)手勢(shì)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(yīng)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(lái)越少了，只在和銀行卡(磁條卡)有關(guān)的場(chǎng)合被使用。

非接觸IC卡，由于其耐用性、性價(jià)比好、讀取速度快、安全性高等優(yōu)勢(shì)是當(dāng)前門禁系統(tǒng)的主流。所以，當(dāng)前很多人就把非接觸IC卡門禁系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為門禁系統(tǒng)了。但也存在容易復(fù)制，破解的風(fēng)險(xiǎn)。

生物識(shí)別門禁后臺(tái)數(shù)據(jù)安全成擔(dān)憂

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

RF遠(yuǎn)距離門禁系統(tǒng)

RF遠(yuǎn)距離門禁系統(tǒng)的核心是方便舒適，安全可靠。是未來(lái)主流智能門禁系統(tǒng)。

該系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的樓宇門禁控制功能之外，借鑒時(shí)下流行的汽車電子PKE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樓宇門禁免掏免刷卡出入功能。

典型的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1，當(dāng)攜帶著電子鑰匙（應(yīng)答器）的用戶走近門禁，將自動(dòng)觸發(fā)開門裝置，無(wú)需翻找掏出門禁鑰匙，便可以開啟門禁鎖，輕松進(jìn)入門內(nèi)。而未攜帶對(duì)應(yīng)電子鑰匙的用戶則不能開啟門禁。

圖1 應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

RF遠(yuǎn)距離門禁系統(tǒng)組成

圖2 門禁系統(tǒng)組成示意圖與說(shuō)明

圖3 基站與鑰匙子系統(tǒng)示意圖

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(jiàn)圖2、圖3）。基站模塊通過(guò)AJB總線接入門口主機(jī)系統(tǒng)，接受主機(jī)端發(fā)來(lái)的控制命令，也通過(guò)與主機(jī)連接（聯(lián)網(wǎng)型主機(jī)），可以將相關(guān)的信息發(fā)送到后臺(tái)，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(nèi)，由低頻模塊接收來(lái)自基站的低頻喚醒信號(hào)，喚醒睡眠中的主控和高頻部分，由主控部分來(lái)進(jìn)行相關(guān)的門禁開鎖活動(dòng)，通過(guò)HUF模塊與基站進(jìn)行安全通信，完成門禁開鎖的任務(wù)。

基站模塊結(jié)構(gòu)

基站主要是作為一個(gè)模塊內(nèi)嵌在樓宇對(duì)講門口主機(jī)內(nèi)部（也可獨(dú)立出來(lái)作為一個(gè)設(shè)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(jī)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(jiǎn)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(jī)引腳輸出PWM 方波，到MOSFET驅(qū)動(dòng)器 （TC4422），TC4422是一個(gè)是強(qiáng)電流緩沖器/驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET和IGBT，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)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(hào)。

圖4 基站內(nèi)部模塊示意圖

基站模塊處理流程

圖5 基站模塊流程

智能電子鑰匙模塊結(jié)構(gòu)

如圖6，鑰匙端（應(yīng)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(gè)方向來(lái)接收低頻喚醒信號(hào)，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(hào)的接收器件。喚醒接收器有3個(gè)獨(dú)立的接收通道，可以檢測(cè)接收來(lái)自任意方向的喚醒信號(hào)。接收到的數(shù)據(jù)可以與一個(gè)模式數(shù)據(jù)相比較，該模式數(shù)據(jù)可以在寄存器內(nèi)編程設(shè)定，并可防止錯(cuò)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(shí)現(xiàn)電池供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程喚醒功能。AS3933具有80μVrms敏感度，可對(duì)喚醒范圍進(jìn)行優(yōu)化，其2.7μA超低電流消耗也極大地延長(zhǎng)了電池壽命。AS3933的接收頻率范圍為15至150kHz。AS3933為每個(gè)工作通道提供了一個(gè)數(shù)字RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）值，并支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時(shí)鐘恢復(fù)的曼徹斯特解碼。它還包括一個(gè)由晶體振蕩器或內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，且AS3933在同類器件中首次提供了內(nèi)置自動(dòng)天線調(diào)諧器，可將天線調(diào)諧到所需的載波頻率。

AS3933的可編程功能允許為更長(zhǎng)的距離進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，同時(shí)保持可靠的“喚醒”。AS3933的靈敏度級(jí)別可在較強(qiáng)的射頻場(chǎng)或噪聲環(huán)境下進(jìn)行調(diào)節(jié)。天線調(diào)諧得到了極大簡(jiǎn)化，因其自動(dòng)調(diào)諧功能可確保完美匹配所需的載波頻率。

AS3933工作電壓為3.0V，工作溫度范圍為-40至+85℃。該器件采用16引腳TSSOP和16引腳QFN(4mm×4mm)封裝。

AS3933有兩種喚醒模式：

檢測(cè)到頻率與寄存器中設(shè)置的頻率一致喚醒，這個(gè)方式易受干擾。

檢測(cè)到頻率與寄存器中設(shè)置的頻率一致并且模式值也與寄存器中設(shè)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(shè)計(jì)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(guò)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(wú)論從哪個(gè)方向接收到基站發(fā)來(lái)的低頻喚醒信號(hào)，都能夠成功捕獲并處理。然后喚醒MCU ，并將低頻信號(hào)中的PATTERN碼傳給MCU，進(jìn)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

技術(shù)難點(diǎn)

工作范圍控制和鑰匙定位

由于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用特殊性，我們要求實(shí)現(xiàn)鑰匙與門禁在一定距離范圍內(nèi)（2m）才可觸發(fā)門禁系統(tǒng)工作。考慮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(yīng)用433MHz高頻技術(shù)來(lái)完成我們的設(shè)計(jì)，但是我們開發(fā)的過(guò)程中遇到了工作距離很難有效控制在2m范圍內(nèi)。降低基站發(fā)射功率的話，又會(huì)造成通信不穩(wěn)定的問(wèn)題。

另外一個(gè)問(wèn)題是門內(nèi)外鑰匙定位的問(wèn)題，因?yàn)楸旧砀哳l433MHz的通信頻率，用于做2m內(nèi)的通信距離控制和定位是比較困難的，RSSI值的波動(dòng)很大，我們嘗試了各種辦法，任無(wú)法做到較精確的定位。

最后是受到汽車電子PKE技術(shù)的啟發(fā)，將雙頻技術(shù)應(yīng)用到本設(shè)計(jì)中，加入了125KHz低頻模塊。由于低頻通信技術(shù)的特點(diǎn)，我們能夠比較容易控制其空間通信的距離。通過(guò)兩個(gè)低頻125KHz收發(fā)天線的合理布局，實(shí)現(xiàn)了門內(nèi)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(shè)計(jì)中，啟動(dòng)門禁系統(tǒng)基站部分向外發(fā)射125KHz低頻信號(hào)的裝置，可以有多種方式。

周期性定時(shí)向外發(fā)射。該方法的好處是可以完全不用用戶手動(dòng)去觸發(fā)系統(tǒng)，只要用戶攜帶有效的要是，走進(jìn)了門禁系統(tǒng)的有效工作范圍之內(nèi)，那么門禁就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，主動(dòng)將門禁系統(tǒng)解鎖，用戶便可直接進(jìn)入門內(nèi)，給用戶一種高效智能舒適大方的門禁解鎖體驗(yàn)。

熱釋電紅外觸發(fā)方式。通過(guò)在門禁合適的地方外接一個(gè)熱釋電紅外設(shè)備輔助檢測(cè)有無(wú)人體靠近，若在有效范圍內(nèi)檢測(cè)到有紅外放射物體接近，那么久發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)門禁基站向外發(fā)射125KHz低頻喚醒信號(hào)，若是檢測(cè)到有效的鑰匙回應(yīng)，那么久能夠成功開啟門禁。但是如果檢測(cè)到阿貓阿狗之類的出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，也有可能誤觸發(fā)門禁裝置。而且熱釋電紅外探頭的質(zhì)量和穩(wěn)定性也很難控制的好。

鑰匙主動(dòng)觸發(fā)。鑰匙上設(shè)置有開鎖按鈕，用戶可以通過(guò)按下電子鑰匙上的開鎖按鈕，來(lái)觸發(fā)門禁系統(tǒng)的開鎖動(dòng)作。

按鍵式被動(dòng)觸發(fā)。通過(guò)在門禁處設(shè)置一個(gè)按鈕（主機(jī)上或者是門把手上），當(dāng)用戶用手按下該按鈕，則啟動(dòng)門禁系統(tǒng)基站向外發(fā)射125KHz低頻喚醒信號(hào)，若檢測(cè)到有效鑰匙回應(yīng)，則成功開啟門禁，門禁解鎖，該過(guò)程正常情況下不會(huì)超過(guò)1s ，所以體驗(yàn)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(rèn)的提供方式。

功耗控制

功耗控制主要是對(duì)于鑰匙端來(lái)說(shuō)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?cè)诓扇〉墓目刂剖侄斡校?/p>

在非工作時(shí)段中，使不必要的模塊（如MCU，高頻通信模塊等）進(jìn)入休眠狀態(tài)。

讓三維接收天線工作在一個(gè)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(guò)不斷調(diào)整和測(cè)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(gè)月以上的時(shí)間。

多卡防碰撞

門禁系統(tǒng)不可避免的，可能會(huì)遇到多張卡同時(shí)出現(xiàn)在基站有效工作范圍內(nèi)。此時(shí)基站發(fā)出的低頻喚醒信號(hào)會(huì)被多把電子鑰匙同時(shí)接收到，若多把鑰匙同事給基站回應(yīng)，則很容易發(fā)生多卡碰撞的情況，導(dǎo)致電子鑰匙認(rèn)證失敗。為了避免這樣的情況發(fā)生，我們?cè)陔娮予€匙端的回應(yīng)機(jī)制上加入了防碰撞檢測(cè)機(jī)制，采用信道偵聽(tīng)檢測(cè)，避免碰撞的算法，隨機(jī)延時(shí)重發(fā)機(jī)制，可以有效避免多方碰撞的問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)雙頻技術(shù)和三維天線的技術(shù)的加入，使得本門禁系統(tǒng)能夠得以順利實(shí)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(guān)鍵的有效工作距離范圍控制和門內(nèi)外定位問(wèn)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(lǐng)域產(chǎn)品的檔次。大大改善了用戶的使用效果。