光控电子锁的设计与实现

南京工程学院信息与通信工程学院 王晓艳 倪慧敏 王 静 陈泽康 刘跃晨 王可依 朱 尖 曹静绪

基于可见光通信的光控电子锁系统设计，将控制电子锁与白光LED通信相结合，以AT89C51单片机为关键，由电子锁驱动电路，按钮控制电路，LED连接电路，接收端核心控制电路组成。该系统用来保证空间的安全，具有安全性强、使用便捷、灵活性强，可在不同场景下进行拓展等诸多优点。

1 研究背景及意义

随着研究的逐渐深入以及技术的前进，2000年可见光通信（VLC）的概念横空出世，白光LED在实现照明的同时，还作为信号发生装置，实现了使用可见光的高速通信。另一方面，传统的机械锁由于技术已经非常成熟，安全性能已无法有较大提升，专业的开锁人士可以轻松打开，钥匙也仅能开锁使用，使用较为麻烦且安全性能差。本文讨论的是使用可将光通信控制电子锁系统的设计，具有更多的使用功能和使用场景，还有拓展更多功能的空间，其使用简单方便、安全性强、灵活便捷、成本较低。

2 方案设计

系统基于可见光通信，通过预设密码对输出口的电压进行时序编码，实现携带信息的可见光路，利用由电子锁驱动电路，按钮控制电路，LED连接电路，接收端核心控制电路，实现当检测光强高于某一阈值时，单片机检测电压变化，记录信息时序并与预设密码对比校验，若密码正确则传输信号到驱动电路，打开电子锁，从而实现了更为安全有效的光控电子锁系统。

2.1 发射端设计

发射端的电路是基于视觉暂留现象设计的LED光控设计，介绍了使用LED传输二进制信息的方法，使得LED同时兼具了照明与光控的功能。使用单片机最小系统作为控制系统，中断系统与按钮作为外部输入控制发送开启与关闭，由单片机供电控制LED亮灭，时序编码分为引导码-密码-结束码，分别占用80ms-640ms-80ms，总计800ms完成一次传输，若为开启状态则循环发送，再次按下按钮则转变为关闭状态。在设计完电路后，也完成了软件代码的编写与调试。

2.2 接收端设计

设计实现了接收端单片机、光敏二极管、驱动电路及电子锁的整体电路，通过光敏二极管传感器模块检测发射端LED的信号，再传给单片机，单片机使用在每一位持续时间中间点采样的方式，提高采样的准确度，再分别对引导码、密码和结束码进行接收校验，全部校验成功后，短暂的改变输出口的电位，激活驱动电路打开电子锁。整体系统设计如图1所示。

3 电路测试

在发射端输出口连接一个示波器，观察示波器的波形，查看波形与程序中的发射时序是否匹配。

图1 整体系统

图2 实物电路发射端输出口波形

发射端输出口波形如图2所示，波形表现出了输出口的电平变化，波形中的两个状态对应着高电平与低电平，高电平持续时间内LED发光，低电平持续时间内LED熄灭，图中含有一个完整的发射周期，整个周期持续800ms，第一个持续时间短变化较快比较密集的波形是引导码部分，之后一长段是密码部分的波形，密码部分结束后是一段与引导码部分等长的结尾码，结尾码之后则是下一个周期的引导码，无间隔时间循环。

图3 实物电路密码波形

密码的波形放大后如图3所示，最左边密集部分为引导码，最右侧密集部分为下一周期的引导码。密码每一位持续时间为20ms，是引导码与结束码一位持续时长的两倍，波形中中间最短的长度即为20ms的长度，密码是32位二进制码“110101110110111010101110 11110111”，总计持续时间640ms。

发射端的波形与程序中的发射时序相同，进一步验证发射波形，将预设密码“11010111011011101010111011110111”改为“001 11010010011010101111101101110”，再观察波形变化。

图4 实物电路改变密码后的波形

密码改变后的波形如图4所示，与之前的密码波形图2相比，有明显的变化，LED的发射程序仿真成功，且因密码变化此时接收端检测校验失败，接收端输出电路无动作，整体实物电路测试完成。

4 系统性能测试

4.1 控制距离

测试发射端LED与接收端光敏二极管在不同距离下系统的响应成功率对比测试结果如图5、图6所示。

结果显示，晚上与白天情况下不同距离的测试数据进行对比，环境光对系统性能影响较大，白天环境光较强系统性能一般，检测成功率随着距离增加逐渐下降，晚上环境光较弱系统性能显著提高，可检测距离大幅度提升，且在距离增加初期系统性能依旧比较稳定，随着距离越来越大检测成功率才逐步下降。由于发射端光源的功率对测试结果影响较大，测试时使用的光源是5mm小功率发光二极管，发射端光源发光强度较小，所以在距离稍微增大时成功率就开始下降，因此可以根据检测距离的需求更换大功率的发射端光源，提高本系统在长距离情况下的适用性。

图5 白天不同距离下的系统性能

图6 晚上不同距离下的系统性能

4.2 对准角度

测试发射端LED与接收端光敏二极管在不同对准角度下系统的响应成功率，测试结果为图7所示。

图7 不同对准角度下的系统性能

结果显示，本系统受对准角度影响很大，小幅度的角度偏差都会极大的影响系统性能，这与发射端光源功率有关，也与本系统接收端使用的光敏二极管元件有关，本次测试使用的光敏二极管元件具有很强的方向性，主要检测正前方的光源，所以在角度有偏差时灵敏度会大幅度下降，因此可以根据检测角度的需求更换不同的光敏二极管元件，提高本系统发射端与接收端在不同角度情况下的适用性。

4.3 环境光照

测试发射端LED与接收端光敏二极管在不同环境光照下系统的响应成功率，测试数据如图8所示。

由以上测试可得出环境光的强度对系统性能的影响较大，其主要原因是发射端LED的功率太小，发光的光强较小，所以在环境光较强的情况下检测发射端光源较为困难，因此可以根据所使用的环境不同更换不同的发射端光源，大功率的发射端光源可以使本系统在环境光较强的情况下也能正常使用，也可增加在弱光环境下的最大检测距离，提高本系统发射端与接收端在不同环境情况下的适用性。

图8 不同环境光下的系统性能

总结：随着无线通信技术的越来越成熟，可见光通信以其诸多优势逐渐成为当下研究的热点。本文提出了一种基于可见光通信的光控电子锁系统，针对传统机械锁弊端，具有很大的使用价值和发展空间。该项目成品可以让用户使用起来更灵活，也方便了用户更加安全高效的使用电子锁来保证空间的安全，值得推广。