光控電子鎖的設計與實現(xiàn)

南京工程學院信息與通信工程學院 王曉艷 倪慧敏 王 靜 陳澤康 劉躍晨 王可依 朱 尖 曹靜緒

基于可見光通信的光控電子鎖系統(tǒng)設計，將控制電子鎖與白光LED通信相結合，以AT89C51單片機為關鍵，由電子鎖驅動電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路組成。該系統(tǒng)用來保證空間的安全，具有安全性強、使用便捷、靈活性強，可在不同場景下進行拓展等諸多優(yōu)點。

1 研究背景及意義

隨著研究的逐漸深入以及技術的前進，2000年可見光通信（VLC）的概念橫空出世，白光LED在實現(xiàn)照明的同時，還作為信號發(fā)生裝置，實現(xiàn)了使用可見光的高速通信。另一方面，傳統(tǒng)的機械鎖由于技術已經非常成熟，安全性能已無法有較大提升，專業(yè)的開鎖人士可以輕松打開，鑰匙也僅能開鎖使用，使用較為麻煩且安全性能差。本文討論的是使用可將光通信控制電子鎖系統(tǒng)的設計，具有更多的使用功能和使用場景，還有拓展更多功能的空間，其使用簡單方便、安全性強、靈活便捷、成本較低。

2 方案設計

系統(tǒng)基于可見光通信，通過預設密碼對輸出口的電壓進行時序編碼，實現(xiàn)攜帶信息的可見光路，利用由電子鎖驅動電路，按鈕控制電路，LED連接電路，接收端核心控制電路，實現(xiàn)當檢測光強高于某一閾值時，單片機檢測電壓變化，記錄信息時序并與預設密碼對比校驗，若密碼正確則傳輸信號到驅動電路，打開電子鎖，從而實現(xiàn)了更為安全有效的光控電子鎖系統(tǒng)。

2.1 發(fā)射端設計

發(fā)射端的電路是基于視覺暫留現(xiàn)象設計的LED光控設計，介紹了使用LED傳輸二進制信息的方法，使得LED同時兼具了照明與光控的功能。使用單片機最小系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)，中斷系統(tǒng)與按鈕作為外部輸入控制發(fā)送開啟與關閉，由單片機供電控制LED亮滅，時序編碼分為引導碼-密碼-結束碼，分別占用80ms-640ms-80ms，總計800ms完成一次傳輸，若為開啟狀態(tài)則循環(huán)發(fā)送，再次按下按鈕則轉變?yōu)殛P閉狀態(tài)。在設計完電路后，也完成了軟件代碼的編寫與調試。

2.2 接收端設計

設計實現(xiàn)了接收端單片機、光敏二極管、驅動電路及電子鎖的整體電路，通過光敏二極管傳感器模塊檢測發(fā)射端LED的信號，再傳給單片機，單片機使用在每一位持續(xù)時間中間點采樣的方式，提高采樣的準確度，再分別對引導碼、密碼和結束碼進行接收校驗，全部校驗成功后，短暫的改變輸出口的電位，激活驅動電路打開電子鎖。整體系統(tǒng)設計如圖1所示。

3 電路測試

在發(fā)射端輸出口連接一個示波器，觀察示波器的波形，查看波形與程序中的發(fā)射時序是否匹配。

圖1 整體系統(tǒng)

圖2 實物電路發(fā)射端輸出口波形

發(fā)射端輸出口波形如圖2所示，波形表現(xiàn)出了輸出口的電平變化，波形中的兩個狀態(tài)對應著高電平與低電平，高電平持續(xù)時間內LED發(fā)光，低電平持續(xù)時間內LED熄滅，圖中含有一個完整的發(fā)射周期，整個周期持續(xù)800ms，第一個持續(xù)時間短變化較快比較密集的波形是引導碼部分，之后一長段是密碼部分的波形，密碼部分結束后是一段與引導碼部分等長的結尾碼，結尾碼之后則是下一個周期的引導碼，無間隔時間循環(huán)。

圖3 實物電路密碼波形

密碼的波形放大后如圖3所示，最左邊密集部分為引導碼，最右側密集部分為下一周期的引導碼。密碼每一位持續(xù)時間為20ms，是引導碼與結束碼一位持續(xù)時長的兩倍，波形中中間最短的長度即為20ms的長度，密碼是32位二進制碼“110101110110111010101110 11110111”，總計持續(xù)時間640ms。

發(fā)射端的波形與程序中的發(fā)射時序相同，進一步驗證發(fā)射波形，將預設密碼“11010111011011101010111011110111”改為“001 11010010011010101111101101110”，再觀察波形變化。

圖4 實物電路改變密碼后的波形

密碼改變后的波形如圖4所示，與之前的密碼波形圖2相比，有明顯的變化，LED的發(fā)射程序仿真成功，且因密碼變化此時接收端檢測校驗失敗，接收端輸出電路無動作，整體實物電路測試完成。

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 控制距離

測試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同距離下系統(tǒng)的響應成功率對比測試結果如圖5、圖6所示。

結果顯示，晚上與白天情況下不同距離的測試數據進行對比，環(huán)境光對系統(tǒng)性能影響較大，白天環(huán)境光較強系統(tǒng)性能一般，檢測成功率隨著距離增加逐漸下降，晚上環(huán)境光較弱系統(tǒng)性能顯著提高，可檢測距離大幅度提升，且在距離增加初期系統(tǒng)性能依舊比較穩(wěn)定，隨著距離越來越大檢測成功率才逐步下降。由于發(fā)射端光源的功率對測試結果影響較大，測試時使用的光源是5mm小功率發(fā)光二極管，發(fā)射端光源發(fā)光強度較小，所以在距離稍微增大時成功率就開始下降，因此可以根據檢測距離的需求更換大功率的發(fā)射端光源，提高本系統(tǒng)在長距離情況下的適用性。

圖5 白天不同距離下的系統(tǒng)性能

圖6 晚上不同距離下的系統(tǒng)性能

4.2 對準角度

測試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同對準角度下系統(tǒng)的響應成功率，測試結果為圖7所示。

圖7 不同對準角度下的系統(tǒng)性能

結果顯示，本系統(tǒng)受對準角度影響很大，小幅度的角度偏差都會極大的影響系統(tǒng)性能，這與發(fā)射端光源功率有關，也與本系統(tǒng)接收端使用的光敏二極管元件有關，本次測試使用的光敏二極管元件具有很強的方向性，主要檢測正前方的光源，所以在角度有偏差時靈敏度會大幅度下降，因此可以根據檢測角度的需求更換不同的光敏二極管元件，提高本系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在不同角度情況下的適用性。

4.3 環(huán)境光照

測試發(fā)射端LED與接收端光敏二極管在不同環(huán)境光照下系統(tǒng)的響應成功率，測試數據如圖8所示。

由以上測試可得出環(huán)境光的強度對系統(tǒng)性能的影響較大，其主要原因是發(fā)射端LED的功率太小，發(fā)光的光強較小，所以在環(huán)境光較強的情況下檢測發(fā)射端光源較為困難，因此可以根據所使用的環(huán)境不同更換不同的發(fā)射端光源，大功率的發(fā)射端光源可以使本系統(tǒng)在環(huán)境光較強的情況下也能正常使用，也可增加在弱光環(huán)境下的最大檢測距離，提高本系統(tǒng)發(fā)射端與接收端在不同環(huán)境情況下的適用性。

圖8 不同環(huán)境光下的系統(tǒng)性能

總結：隨著無線通信技術的越來越成熟，可見光通信以其諸多優(yōu)勢逐漸成為當下研究的熱點。本文提出了一種基于可見光通信的光控電子鎖系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)機械鎖弊端，具有很大的使用價值和發(fā)展空間。該項目成品可以讓用戶使用起來更靈活，也方便了用戶更加安全高效的使用電子鎖來保證空間的安全，值得推廣。