基于RFID技术的低功耗汽车门禁系统

胡 威，张建新

(浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018)

0 引 言

随着汽车行业的不断发展创新，传统的RKE(remote keyless entry)系统已经不能完全满足车主对汽车门禁功能的要求［1］。新型PKE 系统进入汽车市场后，很快得到了中高档汽车的青睐［2］。但是由于完善的PKE 系统设计技术基本由少数外企掌握，使得PKE 产品成本高，不能在中国广阔的汽车市场中得到全面和灵活的应用［3］。目前，在国内只有少数高档汽车才能够配备PKE 系统［4］，因此，面对不断发展的中国汽车消费市场，对PKE 系统进行研究和开发，不仅能给汽车消费群体带来便利，更有利于整个汽车行业的发展。

广大研究者一直致力于RFID 技术的研究，并且应用到了不同的领域中，但是主要关注只通信距离与通信安全的问题，重点研究了高低频信号收发电路及通信加密算法。Yuping Su 等［5］在RFID 系统设计中加入了显示模块及功率放大电路，且发射台一直处于发码状态，能耗比较大;Qi Zhang 等［6］在低功率射频收发器的设计中，RF 收发器主要由宽带射频前端、低功率接收模块、N 倍分频器及功率管理模块组成，结果表明接收器在带宽为915 MHz 数据传输速率为2 Mbps情况下工作电流为10 mA;Md． Monzur Morshed 等［7］主要介绍了一种标签RFID 通信协议，该协议使用静态标示符，单调递增的时间戳，该协议表明它可以节约存储空间及减少计算，但降低了通信安全系数。

为降低系统的功耗，本研究主要改进了高、低频收发电路及通信算法，并且加入了语音及安防模块。

本研究提出的高/低频结合、功能完善及低功耗的汽车门禁系统的设计方案是RFID 技术在汽车门禁系统中的一次成功应用［8］，对中国国产汽车行业的迅速全面发展具有重要的的意义［9］。

1 基于RFID 汽车门禁系统设计方案

1．1 工作原理

在一辆汽车中，门禁系统主要由车身控制模块及遥控钥匙模块组成，可以多个遥控钥匙对一个车身模块［10］。汽车门禁系统框图如图1 所示。车身控制模块安装在车门上，驾驶者携带身份卡不必将身份卡从口袋中拿出，只需靠近汽车按门把手上的触摸键即可实现开启车门功能，并解除安防系统，同样驾驶者离开车时只需按下触摸键即可实现汽车锁门功能，并使汽车安防系统处于设防状态，整个开门锁门的过程中，身份卡无需拿出。

图1 门禁系统框图

1．2 重难点

(1)低功耗。常用的低功耗设计方式有:选用低功耗的处理器、设计低功耗的电路、采用单电源低电压唤醒、采用间歇式发送信号及软件优化、处理器采用休眠—唤醒模式等。在本研究的系统设计中，除了运用以上低功耗设计方法外，还将在车身控制模块和遥控钥匙模块中均采用高低频相结合的传输方式。这种传输方式优点在于低频模块选用的频率为134．2 kHz，其信号的传输是通过空间交变磁场来实现耦合，收发模块在这种方式下可利用耦合的电磁场能量作为自己的能量，从而无需消耗电池的能量［11］。此外，还可以在无其他外部中断的情况下，将车身控制模块设置为休眠模式，从而减少不必要的能量消耗。当按下触摸按键或有其他外部中断时，将唤醒处理器进行工作。

(2)低频天线的全向性。由于车身控制模块与遥控钥匙模块采用的是134．2 kHz 低频收发方式，且遥控钥匙体积的限制，为解决低频天线间的耦合问题，在该系统中，车门控制模块低频天线采用线圈天线，遥控钥匙模块的低频接收天线采用3 付正交天线，每付天线由一个电感和一个电容并联组成，分别放在X、Y 和Z 方向上，保证可以获得任意方向上的信号，既实现低频天线的全向性，又减小了天线的体积。

(3)加密算法。为保证通信信号的安全性，该系统中通信数据会先被加密［12］，解密成功后方可开门，有效地保证了系统的安全性。

该系统车身控制模块低频发送电路采用的数字调制方式是频移键控，通过改变载波的频率，使其随着基带信号的变化而变化，从而将调制信号转换成适合传播的已调信号［13］。而传输的数字信号采用的编码方式为曼彻斯特编码，用电压跳变的相位不同来区分1 和0，其中从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。

为解决发送数据的错码问题及最大可能的降低功耗，系统发送数据报文由前导头、同步头、数据信息、后导头组成，卡号与密码进行按位与加密，在解密的过程中，按照报文的发送顺序进行解密，一旦验证不成功即停止解密，这种加密算法不但错码率少，而且功耗低。

2 系统的硬件设计

2．1 车身控制模块

车身控制模块主要由主控单片机芯片、高频接收模块、低频发送模块、安防模块、电机模块、语音模块、触摸开关等组成。车身控制模块电路设计原理图如图2 所示。

在该系统中，低频发送模块处理器采用单片机PIC16F1828 芯片，射频芯片为美国德州仪器的TMS3705读写芯片［14］。该设计中，射频芯片与微处理器只需通过两根I/O 口线通信，使用非常方便，该系统中通过PIC16F1828 的TMS3705 的调制电路设计图如图2所示。

图2 低频发送模块

单片机PIC16F1828 的工作电压为1．8 V～5．5 V，电路中通过采用COMS 技术的三端口高电流低电压稳压器HT7550 输出5 V 电压提供给单片机，PIC16F1828有4 种晶振模式，最高为32 MHz，休眠模式下电流仅为20 nA，要从休眠模式唤醒器件，外设必须能在没有系统时钟的情况下工作。进入休眠模式前，必须将相应中断源的中断允许位置1。从休眠模式唤醒时，如果GIE 位也置1，则处理器将跳转到中断向量，否则，处理器将继续执行SLEEP 指令后的指令。紧接SLEEP 指令后的指令总是会在跳转到ISR 前执行。该系统中单片机PIC16F1828 共有20 个引脚，18 个引脚可作为I/O 口，其中RA4、RA5 引脚接入4 M 的晶振，RC3、RB7 引脚控制语音芯片模块，RC0、RC1 引脚控制电机L9110S 模块，RC6、RC7 引脚控制安防模块，RA2 引脚作为高频信号的输入端，RC4、RC5 引脚作为射频芯片 TMS3705 的信号输入端。射频芯片TMS3705 是用来驱动天线，在天线端发送调制的频率为134．2 kHz 的信号数据。

2．2 遥控钥匙模块

遥控钥匙模块主要由主控单片机芯片、高频发送模块、低频接收模块、电源、天线等组成［15］，低频接收模块电路设计原理图如图3 所示。

图3 低频接收模块

该系统中，PIC16F630 有12 个具备独立方向控制功能的I/O 引脚，RA0、RA2、RC0 引脚连接低频接收芯片TMS37122。C4是充电电容连接引脚VCL，在低频信号接收的过程中C4处于充电状态，从而为低频的半双工部分提供能量。芯片TMS37122 并且具有可编程的唤醒模式和低频监视，通过WAKE 引脚输出来驱动外部设备，进而唤醒单片机［16］。该芯片对来自多达3 个天线的信号进行解调，如果天线正交放置，就可解调来自3 个坐标(X、Y 和Z)的数据信息。这样，即使汽车内的基站天线是简单、经济型的线圈天线，也可使无耦合的区域最小［17］。在该次设计中，当按下汽车门锁上的触摸按键，车身控制模块会依次发出低频信号，而遥控钥匙一直处于接收状态，卡接收到卡号比对成功后会通过高频电路发送密码，车身控制模块接收到密码比对成功可实现开门，并伴有开门及撤防的提示音。

3 系统的软件设计

该系统中的程序设计主要包括单片机初始化程序、按键判断程序、发送程序、接收处理程序，存储卡程序、语音控制程序、安防控制程序、电机控制程序、卡学习程序及清除锁内卡信息程序等。

3．1 门锁部分控制程序

门锁程序初始化及按键判断程序流程图如图4所示。

图4 门锁程序初始化及按键判断程序流程图

单片机PIC16F1828 有256 字节的EEPROM，EEPROM 的第一个字节存放卡的数量，第二字节开始存放卡号，程序初始化为:

(1)中断位、预分频器、ADC 通道设置;

(2)干电池上电的声音，有语音播报;

(3)将卡号数量全部读到内存中;

(4)比对卡号是否为0 判断是否进入休眠状态，为0 进入休眠状态，不为0 将卡号全部读取到ROM 中。

当单片机处于休眠状态时，可通过外部中断唤醒单片机进行相应的操作，外部中断通过检测设置的状态位DOOR_CHECK，标志位为低是开门状态，为高则继续判断学习状态位，学习状态位为低进入学习状态，按下身份卡上的按键卡登记成功，为高则是复位清除门锁内的卡信息。当低频发送卡号时，会连续发送5次，首先判断卡号是否存在，若存在再进行密码比对，校验成功后才可实现开门。

3．2 系统RFID 通信算法实现

系统采用的编码方式为曼彻斯特编码，数字调制方式为频移键控，报文由前导头、同步头、数据信息、后导头组成。

3．2．1 加密算法流程

高频发送卡号与密码时，卡号与密码会先被加密，按位发送时，发送500 μs 高电平和500 μs 低电平表示1，500 μs 高电平和1 000 μs 低电平表示0。

卡号与密码发送前会被加密，前导头为10 ms 低电平和10 ms 高电平，同步头为500 μs 高电平，后导头为500 μs 高电平。在该系统中加密的方式是卡号与密码分别与校验码进行异或运算，测试用的校验码为十六进制数0 ×96，校验码可以随时改变，只需保证门锁与身份卡一致即可。

3．2．2 解码算法流程

门锁在接收身份卡发送的信息后，会进行解码比对，解密即将接收到的卡号与密码与校验码进行异或运算，得到的结果与门锁中的卡号与密码比对，比对成功实现开门功能，其流程图如图5 所示。

4 结束语

本研究旨在设计一种基于RFID 汽车无钥匙进入系统［18］，通过按下触摸键唤醒处于休眠单片机，达到无钥匙开门的目的。通过实验测试，该系统在1．5 m以内可正确识别车主，门锁主控板静态电流为9．27 μA，工作电流为80 mA，身份卡静态电流为5 μA，工作电流为4 mA。车主只需按车门上的触摸键即可打开或关闭车门，同时连接安防系统实现撤防和设防，若钥匙丢失可通过删除门锁内钥匙信息及新钥匙学习功能得以解决。

图5 解密流程图

该系统的优点主要有:①系统功能的进一步优化及系统的易操作性;加入了安防系统及语音系统。②系统硬件设计上通过采用按下触摸键唤醒处于休眠单片机的机制，在不影响通信距离的情况下去掉了信号放大电路，以及软件程序设计上采用优先验证卡号的数量的方法降低系统功耗。③在数据传输的安全性问题上，通过无线通信过程中数据的加密、解密，不断优化发码的频率及时间，低频发码时间20 ms/次，高频发码时间为60 ms/次。在不增大误码率的前提下优化算法，不但降低了发码的能耗，并且有效地保证了数据的保密性、安全性［19］。

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