非接觸智能卡摩托車鏈輪鎖的設(shè)計(jì)

文章出處：http://56733.cn 作者：孫秀芳等   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月22日

非接觸智能卡摩托車鏈輪鎖的設(shè)計(jì) 

作者：孫秀芳 ，劉安軍，劉俊生 ，孫建功 

引言 

    非接觸智能卡(Contactless Smart Card，CLSC)，又稱射頻卡，具有無機(jī)械磨損、容易維護(hù)、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，目前在身份識(shí)別、信用服務(wù)、自動(dòng)控制、安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如我國(guó)第二代身份證、門禁控制系統(tǒng)(Door Access System)、高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)、水，電，氣三表收費(fèi)系統(tǒng)、停車場(chǎng)、地鐵、出租車收費(fèi)系統(tǒng)、銀行服務(wù)“一卡通”等．尤其在安防領(lǐng)域，非接觸IC卡與鎖具有機(jī)結(jié)合，可以形成各種智能鎖具．作者在系統(tǒng)研究了非接觸智能卡技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其在摩托車鏈輪鎖具中的應(yīng)用進(jìn)行了探討． 

一、 非接觸智能卡的工作原理及特性 

    IC智能(射頻)卡采用先進(jìn)的芯片制造工藝制作，內(nèi)建有高速的CM0S EEPROM，MCU．卡片上除了IC微晶片及一副高效率天線外，無任何其它元件．卡片上無電源(不需要電池)，工作時(shí)由卡片讀寫系統(tǒng)的天線發(fā)送電磁波耦合到卡片上的天線而產(chǎn)生磁、電能轉(zhuǎn)換，達(dá)到2 V以上時(shí)卡片上IC開始工作，不需要另外提供電源就可以完成相關(guān)數(shù)據(jù)的互相傳遞．
 
    非接觸智能卡具有很多優(yōu)點(diǎn)：可在免接觸條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，因而避免了因接觸讀寫數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的故障；操作方便，可在5～2O0 cm范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，安全、可靠；提供有只讀方式卡和讀寫方式卡以適應(yīng)不同需要；保密性強(qiáng)，芯片在生產(chǎn)中固化特殊密鑰數(shù)碼群中之一組密碼信息，代表了持卡人的身份識(shí)別，而且是唯一的，無法破譯，具有極高的保密性；壽命長(zhǎng)，可靠性高，讀寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上，且數(shù)據(jù)可保持10年以上；抗靜電保護(hù)能力達(dá)到2 kV以上；無電源，可長(zhǎng)期使用，避免了更換電池的麻煩；卡片的芯片體積小，只有4 mm×8 mm×1 mm，可以根據(jù)需要制成各種樣式，例如名片式、匙牌式、飾物式或其它隱藏樣式，不僅有裝飾性，攜帶方便，而且又有很好的保密性、隱蔽性．非接觸智能卡與主機(jī)的讀寫識(shí)別系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通過無線電波進(jìn)行傳遞，要由高頻無線接收／發(fā)射電路來完成，電路包括振蕩、分頻、功放、解調(diào)、濾波、放大等部分，工作頻率分為低頻段(125～134kHz)、高頻段(13．56 MHz)、超高頻段(868 915 MHz)和微波段(2．45 GHz)多個(gè)頻段．在應(yīng)用中，一般將這一部分電路固態(tài)化，稱為“讀卡模塊”，使整個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)簡(jiǎn)化．按照不同的性能和要求，讀卡模塊分為多種型號(hào)，例如按指向可分為無指向型、寬指向型、窄指向型；按感應(yīng)距離分為近距型、中距型、遠(yuǎn)距型；按頻率分為低頻段、高頻段、超高頻段、微波段；按數(shù)據(jù)存取方式分為只讀卡、讀寫卡等．讀卡模塊可將數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳遞，發(fā)射數(shù)據(jù)到非接觸智能卡，接收到的非接觸智能卡數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)輸出端送到由單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)的相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理． 
 
    由于非接觸智能卡具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此很快得到了廣泛的應(yīng)用，但它也存在以下幾個(gè)方面的問題： 

    (1)系統(tǒng)價(jià)位比較高．在對(duì)價(jià)格不敏感的領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)要多一些，距離普及所要求的價(jià)位還有很大的降價(jià)空間，必須降到廣泛普及能夠接受的價(jià)位．實(shí)際上，隨著技術(shù)的不斷提高，單機(jī)系統(tǒng)直接成本已經(jīng)比較低，要進(jìn)行大面積推廣，只要降低“高附加值”部分，價(jià)位就可以大幅度降低．
 
    (2)應(yīng)用技術(shù)上還有很大的改進(jìn)的空間．應(yīng)用過程中開發(fā)費(fèi)用高，而且應(yīng)用軟件開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)都有重復(fù)開發(fā)、重復(fù)設(shè)計(jì)部分，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)資金．把系統(tǒng)軟件、功能部件等軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并且產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化，可以大大降低開發(fā)費(fèi)用，減少先期投資和開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)降低技術(shù)使用門檻，有利于應(yīng)用人員接受和大面積推廣使用． 

    (3)應(yīng)用意識(shí)要進(jìn)一步提高．可以應(yīng)用的領(lǐng)域和產(chǎn)品遠(yuǎn)不止上述幾個(gè)方面，普及非接觸智能卡知識(shí)、提高各行各業(yè)專業(yè)技術(shù)人員技術(shù)應(yīng)用能力以及增強(qiáng)非專業(yè)人員應(yīng)用意識(shí)都是非常重要的． 

二、射頻識(shí)別原理 

    射頻識(shí)別技術(shù)(即Radio Frequency Identification，以下簡(jiǎn)稱RFID)是2O世紀(jì)9O年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Read／write Device)以及數(shù)據(jù)交換、管理系統(tǒng)等組成．電于標(biāo)簽也稱射頻卡，它具有智能讀寫及加密通信的能力．讀寫器由無線收發(fā)模塊、大線、控制模塊及接口電路等組成．射頻識(shí)別是無源系統(tǒng)，即電子標(biāo)簽內(nèi)不含電池，電子標(biāo)簽工作的能量由讀寫器發(fā)出的射頻脈沖提供．電于標(biāo)簽接收射頻脈沖，整流并給電容充電．電容電壓經(jīng)過穩(wěn)壓后作為工作電壓．?dāng)?shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯．控制邏輯接受指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作．EEpROM用來存儲(chǔ)電子標(biāo)簽的用戶ID號(hào)及其它用戶數(shù)據(jù)． 

    非接觸智能卡中的射頻識(shí)別技術(shù)在身份識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已日臻成熟．
 
三、非接觸智能卡摩托車鏈輪鎖具 

    作者介紹了非接觸智能卡摩托車鏈輪鎖具，是非接觸智能卡身份識(shí)別技術(shù)在安防領(lǐng)域智能鎖具中的一種應(yīng)用，實(shí)際制作方便、成本低，直接材料成本不超過5O元人民幣，此外還可以做成多種人們喜歡的外形，物美價(jià)廉，有很高的使用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景．
 
    目前使用的摩托車鏈輪鎖具采用常用的有鑰匙的機(jī)械鎖頭開鎖技術(shù)，將一個(gè)強(qiáng)度很高的鎖柱卡在鏈輪上使鏈輪卡死，從而鎖定摩托車后輪無法轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到防止非法移動(dòng)、被盜的目的．原鎖的整體外形結(jié)構(gòu)完整，很難破壞，鎖柱卡鏈輪的原理在實(shí)際運(yùn)用中被證明也是確實(shí)可行的，但摩托車被盜仍屢有發(fā)生，問題就出在機(jī)械鎖頭上．雖然人們常說“一把鑰匙開一把鎖”，但實(shí)際上鑰匙的重碼率太高，即便是采用“十字式”的鑰匙，其保密性也是非常有限的．采用有鑰匙的機(jī)械鎖頭的方法存在鑰匙鎖具有的通病，很容易被撬開，鎖具自身的安全性能太差，防盜作用效率很低，根本無法達(dá)到期望的目的，無法滿足廣大客戶的要求． 

    作者采用一種無源加密存儲(chǔ)器只讀方式的智能卡。主要將非接觸智能卡“身份識(shí)別”的特性和傳統(tǒng)的摩托車鏈輪鎖具有機(jī)結(jié)合，形成“鎖”的智能識(shí)別功能．將每個(gè)用戶的ID和其它信息存入電子標(biāo)簽，通過用戶驗(yàn)證是否有效來驅(qū)動(dòng)鎖具的開合，克服普通鑰匙重碼率高的弊病，提高鎖具自身的安全性能，增強(qiáng)防盜能力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)可靠的目的．圖1為鎖體結(jié)構(gòu)示意圖． 

    圖1中，鎖芯處在“鎖住”位置，鎖芯伸出部分將摩托車鏈輪卡死，卡位擋片與鎖芯焊接為一個(gè)整體．外殼用大于2 mm鋼板成型焊接為一個(gè)整體，后蓋板用大于2 mm鋼板制成，用緊固件與外殼連接為一體，用來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路各部分不被破壞，后蓋板與摩托車后軸相關(guān)部分連接和固定．接收線圈封裝在一個(gè)工程塑料外殼內(nèi)，固定在外殼的外側(cè)．圖2是一個(gè)外形為鑰匙鏈飾物式非接觸智能卡片． 

    非接觸智能卡片的卡芯很小，可以封裝在卡片內(nèi)或各種造型的小飾件內(nèi)，有較好的隱蔽性，與鑰匙鏈連在一起隨身攜帶 
非常方便，而且美觀大方．為了防潮、防塵、防破壞，用封裝專用膠將控制系統(tǒng)封裝為一個(gè)整體，僅用留出的導(dǎo)線分別與接收線圈、電磁鐵和摩托車電源連接，讀卡模塊外形如圖3所示．

    非接觸智能卡控制系統(tǒng)的電路圖如圖4所示。鎖車過程：鎖車時(shí)，用手按下鎖芯靠近外端的端頭，卡位擋片隨同鎖芯滑動(dòng)至低于鐵芯時(shí)，鐵芯在鐵芯復(fù)位彈簧的推動(dòng)下抵住鎖芯，當(dāng)手放開鎖芯時(shí)，鎖芯在鎖芯復(fù)位彈簧的彈力作用下返回，但由于鐵芯擋控制電路住卡位擋片，鎖芯被阻止返回，鎖芯伸出部分卡在摩托車鏈輪的缺口上，摩托車后輪被鎖死，完成鎖車過程． 

    開鎖過程：當(dāng)打開摩托車電源開關(guān)鎖，非接觸智能卡控制系統(tǒng)得到電源開始工作，當(dāng)非接觸智能卡片靠近接收線圈1O0 ITIITI以內(nèi)時(shí)，接收線圈接收到該卡片內(nèi)數(shù)據(jù)信息送到接收模塊，接收模塊輸出卡片信息數(shù)據(jù)到IC3，對(duì)該卡片相關(guān)密碼信息進(jìn)行身份識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到不是合法卡片時(shí)，不進(jìn)行開鎖過程；當(dāng)識(shí)別到是合法卡片時(shí)，IC3的9腳輸出高電平發(fā)出開鎖信號(hào)，TR2導(dǎo)通，J1吸合接通電磁鐵的電源，電磁鐵產(chǎn)生電磁場(chǎng)力把鐵心拉人線圈內(nèi)，“鎖死”狀態(tài)時(shí)被擋住的卡位擋片被放開，在鎖芯復(fù)位彈簧的作用下，鎖芯復(fù)位，放開被卡住的摩托車鏈輪，完成開鎖過程． 

四、結(jié)束語 

    非接觸智能卡在免接觸條件下完成開鎖，智能卡內(nèi)部芯片包含有唯一的序列密碼，無法破譯，代表持卡人的身份標(biāo)識(shí)，只有識(shí)別正確時(shí)才能發(fā)出開鎖信號(hào)．由于不用傳統(tǒng)鑰匙，開鎖時(shí)不接觸鎖具，在機(jī)械執(zhí)行部分設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了安防措施，鎖具全封閉，鎖芯安裝隱蔽，因此具有較高的安全性、可靠性，并使鎖具整體防破壞性能大大提高．在電路改動(dòng)不大的情況下可以應(yīng)用到多種車輛各個(gè)部位的安全防范上．

參考文獻(xiàn) 

劉玉珍，張煥國(guó)．多應(yīng)用安全智能卡結(jié)構(gòu)的研究CJ3．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2006，52(1)：87—91． 

李棟，楊義先．基于智能卡的身份認(rèn)證及應(yīng)用CJ3．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2005，(1)：37—40． 

黃道敏，唐國(guó)元．非接觸Ic卡智能門鎖及監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2004(3)：30。32．
 
李軍民，黎亞元，蔣建春．非接觸智能Ic卡應(yīng)用研究CJ3．四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003·(4)：15—18．
 
岳喜成，王文騏．微波非接觸式智能卡中射頻系統(tǒng)和電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CJ3．通信技術(shù)，2003，(2)：15—17．