基于MA82G5B32的智能防盗锁体终端设计

姜源　珠海城市职业技术学院　广东珠海　519090陈君　珠海唯码科技有限公司　广东珠海　519000



基于MA82G5B32的智能防盗锁体终端设计

姜源珠海城市职业技术学院广东珠海519090
陈君珠海唯码科技有限公司广东珠海519000

项目来源：珠海城市职业技术学院重点课题“基于物联网的社区智能防盗系统设计”，项目编号020130310

【文章摘要】

为了解决锁具应用中通常存在的机械锁钥匙丢失、电子锁断电、智能安防接入等问题，本文设计了一套将电子系统嵌入到传统机械锁芯的智能防盗锁体终端。该终端采用MA82G5B32作为主控芯片，可通过RF射频技术与中继器相连，接入互联网络，实现与用户、智能社区的信息交互或远程控制，契合当前“互联网+”环境下的远程托管需求。

【关键词】

电子锁，MA82G5B32，电子标签，RFID，智能安防

0　引言

锁具是室内安防的重要部件，随着科技的发展和人们安防意识的提高，电子锁走上市场并发展迅猛，各种非接触卡（IC卡、REID卡等）、键盘（密码）、指纹、人脸识别等感应方式操控的锁具层出不穷;但据考察，市场所见的电子锁具，大多只是在机械锁芯的基础上，加装一套电子系统与机械手臂的组合控制器，本质上并未改变或提高机械锁芯的安全性能，仍有其问题和不足。

为此，本文设计了一套将电子系统“嵌入”机械锁芯、机械钥匙的电子锁，在传统机械锁的基础上，构建“机械牙花识别”、“电子标签识别”双重识别系统，不仅提高了锁匙的安全水平，更解决了钥匙丢失、非法开启等各种隐患，在需要时，还可通过锁体内嵌通信模块借助专用中继器接入互联网、GSM网络，实现与社区、物业管理中心或用户的通信，实现基于物联网技术的智能安防功能。

1　总体设计

1.1总体设计思想

当前市场上的电子锁依然有其缺陷，并未提升锁具自身的安全性能。一方面，机械锁体部分的安全性没有得到本质提升，另一方面，一旦钥匙丢失、被复制，门锁安全都会立即面临威胁。同时，物联网技术蓬勃发展，智能家居安防、智能社区广泛兴起，对于电子锁终端纳入“系统网络”的需求也日益凸显。本智能防盗锁体终端的设计，即是从上述需求出发，尝试将电子识别、无线通信等技术深入融合到机械锁体和机械钥匙，解决当前电子锁及智能防盗系统中依然存在的问题和瓶颈。

基于上述分析，智能防盗锁体终端设计中需要着重解决的问题如下：

（1）带“身份证”的钥匙。将电子标签嵌入传统机械钥匙，成为“数码钥匙”，该电子标签具有全球唯一的身份识别码，使用前启动锁体终端的注册功能，读入并存储钥匙的身份识别码，该钥匙则被确认为“合法钥匙”。使用时，机械牙花和电子标签内的识别码成为电子锁终端开启的双重识别信息。

（2）钥匙注册功能。智能防盗锁体终端配备专用母钥匙，插入母钥匙启动锁体的注册功能，一旦合法钥匙丢失，可立即予以注销，并重新注册新钥匙，被注销钥匙将成为非法钥匙，不再能够开启锁体。通过该功能，将可解决钥匙丢失的后顾之忧。

（3）合法钥匙开启。数码钥匙插入锁体后，钥匙电路与锁体电路联通，系统启动。系统读入数码钥匙内嵌的电子标签，并进行合法性鉴定，若合法，则锁体撤防，此时若机械牙花完全咬合，则可旋转锁芯开启门锁;如果认定非法，则锁体布防，锁芯无法旋转，同时将启动报警程序，并启动无线通信，通报后台管理系统。

（4）开门记录功能。智能防盗锁体终端通过通信模块与后台管理系统相连，可常态或特定地对不同钥匙、不同时间的开启情况进行记录，实现开门情况的可追溯、可统计和可分析。

（5）“互联网+”环境下远程托管需求。在特定需求下，后台管理系统可根据户主的特定识别码，向终端赋予限定时间、限定身份标签等开启权限，实现“互联网+”环境下的远程托管等功能。

（6）节能性设计。市面上常见的电子锁大多依赖外接电源，本系统采用最简化设计思路，采用电池供电，并设定无钥匙断电、报警后断电、钥匙常插报警等一系列节能设计，确保在不具备外接电源条件下，门锁电池的持久耐用。

1.2框架结构

基于前文的总体设计思想，本智能防盗锁体终端由智能锁体、数码钥匙、以及通信模块等几部分组成。系统框架如图1所示。

图1　系统框架结构图

图中，锁体终端的微处理器部分采用51内核的单片机。微处理器通过锁芯接口与改装后的机械锁芯和数码钥匙连接，钥匙插入锁芯或者旋转锁芯都能使微处理器系统上电（图中硬件上电模块），微处理器通过接口触点，读取数码钥匙内电子标签的身份码，并根据认证结果，控制弹子驱动电路设防或撤防。

软件上电模块电路用于工作期间维持系统上电状态，并限时断电，保证系统节能。

EEPROM模块用于存储锁体终端的本机物理地址、母钥匙身份码、合法钥匙身份码等信息。一键清除电路用于快速清除EEPROM中所有的钥匙信息。

无线通信模块选择现成的REID模块，用于与联网中继器之间的通信，从而方便组建或接入智能安防、智能社区系统。

电池电压检测主要用于实时检测电池电压，出现欠压时，启动声光报警。声光报警电路同时还负责非法开门时的报警和正常操作下的提示信息输出。

2　硬件设计

2.1锁芯接口与数码钥匙设计

如图2所示，有钥匙插入锁芯时，K1联通，系统上电，单片机工作，完成智能电子锁的功能;钥匙拔出锁芯，系统限时掉电。当锁胆发生转动，K2闭合，两地连接;系统工作期间，为防止K1、K2机械触点不稳定，通过微控制器输出上电信号Power_Out并通过上电电路，保持两地连接。

图2　系统节电设计思路原理图

根据上述设计原理，需对机械锁芯和钥匙作相应的改装，进而设计锁芯与电路的接口。数码钥匙中内嵌单总线电子标签DS2401，仅需一位信号接口，提供全球唯一的64bit识别码。DS2401的连接电路如图3所示，钥匙内引出信号线Read_Dat，通过锁芯内的触点连入电路。电子锁锁闭装置采用螺线管及弹子实现，原理如图4所示，Q5导通时，置于锁芯内的螺线管通电上磁，将永久磁铁制成的反向极性的管芯顶起，制动锁芯设防。

图3　DS2401连接电路

图4　锁闭电路

根据上述设计，锁芯与电路的接口设置5个信号，分别是：电源+3.3V、单总线Read_ Out、螺线管MAG、电池地GND_BAT、信号地GND。

2.2锁体电路设计

主控微处理器选用台湾笙泉科技的MA82G5B32，这是一款低功耗、高速Flash单片机，内部集成了32K的flash程序存储空间，可灵活配置成IAP数据存储区，除此之外还配备有内置高精准度 RC 振荡器，具备大量的周边（ ADC / UART / TWSI / SPI / ...）及复用型 I/O，这些功能部件极大地简化了外电路的设计，为电路集成到狭小的锁体空间内提供了可能。此外，MA82G5B32还具有全球唯一的128bit物理ID，方便锁体作为终端组建或接入智能安防网络。

（1）电源及低电检测模块

锁体采用3节干电池供电，而MA82G5B32属于低功耗机仅需3.3V电压，选择HT7333低压降稳压芯片完成电压变换。同时为防止低电状态下系统工作不正常，还需进行实时的低电检测，此功能借助单片机内集成的ADC模块完成，相关电路如图5所示。

图5　电源及低电检测模块

（2）上电模块

在电路系统正常工作过程中，由钥匙与锁芯间的触点提供电池地与信号地的连接，从而保证系统的供电。但机械触点间的连接通常不稳定，为此，电路设计上电模块，如图6所示。

图6　上电电路

在钥匙插入锁孔启动系统的第一时间，由单片机输出Power_Out=1，Q3、Q2、Q4导通，信号地与电池地连通，保证系统工作期间两地的稳定连接。在钥匙拔出后，系统根据需要，通过Power_Out控制短暂上电或断电。

（3）无线通信模块

为了满足远程报警需求以及智能安防或智能社区系统的组建，锁体电路中需要设计无线通信模块。选择基于射频集成芯片SX1208的射频模块LSD4RF-2S313N10，这是一款高性能的物联网无线收发器，广泛应用于各种场合的短距离物联网无线通信领域，体积小、功耗低，抗干扰能力强。该模块采用SPI通信接口，使用时直接与单片机MA82G5B32的SPI引脚连接，编程方便，硬件连接如图7所示。

图7　无线通信电路

（4）其他电路

其他电路包括声光报警电路、地址设置电路等。这部分电路选择单片机的普通IO口，连接拨码开关、LED、蜂鸣器等即可，在此不再赘述。

3　软件设计

3.1系统总体工作流程

图8　系统关系图

图9　主程序流程

系统设计中存在母钥匙、单权限钥匙、双权限钥匙、特征钥匙的概念：单权限钥匙和特征钥匙注册成功后即可开门，不同的是特征钥匙开门时系统将其开门信息发送至联网中继通知用户，开门信息可追溯;双权限钥匙经注册后，开门时需得到用户的二次授权，并在授权后限定时间内才能开门;母钥匙用于启动注册合法钥匙功能，上述三类钥匙均在注册过程予以区分。

数码钥匙、锁体终端、联网中继、用户四者之间的关系如图8所示。为了防止不同锁体终端之间报警信息的干扰，系统工作前设计有对码功能，当锁体电路中的对码设置按键按下，锁体终端通过主控芯片MA82G5B32中全球唯一的128bit物理ID与联网中继器的主控芯片的物理ID，完成对码。

根据上述分析，系统软件采用模块化设计，共分为如下模块：一键擦除模块，对码模块，钥匙注册模块，单权限钥匙开门模块，双权限钥匙开门模块，非法钥匙报警模块。

3.2部分程序流程

主程序流程如图9所示，钥匙注册模块是重点代码，子程序Register_ID（）流程如图10所示，单权限、双权限和特征钥匙三种不同类型的钥匙，在注册过程中，通过控制插入锁孔的时间来区分。

图10　注册子程序流程

4　测试

系统完成后，将锁体终端配合中继器进行了检测，设计功能均能实现，性能测试数据如下：

系统静态工作电流≤25uA，工作状态下（含读卡期间、报警期间、通信期间）的工作电流≤200mA。系统采用3节干电池供电，容量为1000mA，配合专门研发的开锁测试仪，合法钥匙可开锁1.5万次左右，当电池电压降至3.6V时，欠压报警，仍然可开锁50次以上。假设每天开门10次，每次持续1分钟，根据实测数据估算，正常情况下可使用1年以上;

锁体终端与中继器之间的无线通信距离≥50M（建筑物内）;

开锁测试仪上传至电脑的测试数据显示，测试次数10000次，成功9998次，失败2次，成功率为99.98%，满足测试要求。

5　小结

本文所述的智能防盗锁体终端，将电子控制系统嵌入传统机械锁芯，巧妙地实现了更高的防护性能，解决了钥匙丢失、锁体断电等传统和常见电子锁类存在的问题。同时，终端设计了RF通信模块，可借助物联中继器组建智能安防网络并接入互联网、GSM网络，实现与社区、物业管理中心或用户的通信，实现基于物联网技术的智能安防功能。该功能契合“互联网+”环境下的远程托管需求，将有广泛应用。

【参考文献】

[1]朱玉璟,李大,孙文杰,王晶.锁具之电子锁技术综述[J].科技致富向导,2014,21: 287-288

[2]姜源,孟诚.数码防盗锁芯[Z].2013,专利号:ZL201220714068.2

[3]datasheet. MA82G5Bxx_Datasheet_ v1.03[Z]

【作者简介】

姜源，女，1982年出生，江苏南通人，硕士研究生，讲师，主要研究方向单片机及嵌入式系统控制，物联网应用。

陈君，男，1990年出生，广东湛江人，专科，主要研究方向单片机及嵌入式系统控制。