双频技术与三维天线在RF远距离门禁系统中的应用

□文/张瑞斌 董富庭

本系统应用于住宅社区，用户只要身上携带着智能电子钥匙，用户只需靠近门口主机（或轻触开关），门锁就自动打开，用户便可以直接进门，省去放下东西，花时间翻找门禁卡，然后刷卡的麻烦，有效的提升了我们产品的用户体验，方便了用户的出入行。本设计关键技术点在于基站端能够通过低频唤醒技术，将用户身上携带的电子钥匙（应答器）唤醒，并响应门禁系统的开锁活动。

传统门禁系统存在的安全漏洞

早期的门禁系统主要是用金属实体钥匙来进行开锁控制。其弊端是安全性极低。后来发展出密码门禁，近距离非接触式IC卡门禁，指纹识别门禁等等各种各样的门禁系统，各有优缺点。

密码门禁密码易泄漏

密码门禁是通过输入密码，系统判断密码正确就驱动电锁，打开门放行。 但是其缺点是速度慢，输入密码一般需要好几秒中，如果进出的人员过多，需要排队。如果输入错误，还需重新输入，耗时更长。安全性差，旁边的人容易通过手势记住别人的密码，密码 容易忘记或者泄露。

刷卡门禁卡片易损坏和丢失

刷卡门禁是根据卡的种类又分为接触卡门禁系统(磁条卡、条码卡)和非接触卡(又叫感应卡、射频卡)门禁系统。 接触卡门禁系统由于接触卡片容易磨损，使用次数不多，卡片容易损坏、丢失等，使用的范围已经越来越少了，只在和银行卡(磁条卡)有关的场合被使用。非接触IC卡，由于其耐用性、性价比好、读取速度快、安全性高等优势是当前门禁系统的主流。所以，当前很多人就把非接触IC卡门禁系统简称为门禁系统了，但也存在容易复制，破解的风险。

生物识别门禁后台数据安全成担忧

生物识别门禁是未来的发展趋势，在防范保护作用比传统门禁要安全许多。但由于技术的限制及成本问题，在普通住宅用户中仍未普及。

RF远距离门禁系统成为趋势

RF远距离门禁系统的核心是方便舒适，安全可靠。是未来主流智能门禁系统。该系统除了能够实现传统的楼宇门禁控制功能之外，借鉴时下流行的汽车电子PKE技术，实现楼宇门禁免掏免刷卡出入功能。

典型的应用场景如图1，当携带着电子钥匙（应答器）的用户走近门禁，将自动触发开门装置，无需翻找掏出门禁钥匙，便可以开启门禁锁，轻松进入门内。而未携带对应电子钥匙的用户则不能开启门禁。

▲图1 应用场景示意图

RF远距离门禁系统组成

本门禁子系统主要包括基站（RF读写器）和钥匙端两部分（见图2、图3）。基站模块通过AJB总线接入门口主机系统，接受主机端发来的控制命令，也通过与主机连接（联网型主机），可以将相关的信息发送到后台，在管理中心统一管理用户数据。智能电子钥匙端的主要功能，就是在有效工作范围内，由低频模块接收来自基站的低频唤醒信号，唤醒睡眠中的主控和高频部分，由主控部分来进行相关的门禁开锁活动，通过HUF模块与基站进行安全通信，完成门禁开锁的任务。

▲图2 门禁系统组成示意图与说明

▲图3 基站与钥匙子系统示意图

基站模块结构

基站主要是作为一个模块内嵌在楼宇对讲门口主机内部（也可独立出来作为一个设备），该部分主要采用MCU+UHF+LF组合的形式（如图4）。MCU采用MSP430F2274单片机作为主控芯片，该处理器是一片16 位超低功耗微控制器，具有32KB 闪存和 1K RAM。采用16位精简指令集, 并集成了16位寄存器和常数发生器,极大的提高了代码的执行效率。HUF模块，采用TI的CC1101芯片方案。CC1101模块（RF高频模块）工作在433MHz频段。LF低频模块部分是由单片机引脚输出PWM方波，到MOSFET驱动器 （TC4422），TC4422是一个是强电流缓冲器/驱动器，能够驱动大功率MOSFET和IGBT，进而驱动由电感线圈（L）和电容（C）组成的谐振电路，向外发射125KHz 的唤醒信号。

▲图4 基站内部模块示意图

▲图5 基站模块流程

智能电子钥匙模块结构

如图6，钥匙端（应答器）主要包括三部分：MCU（MSP430F2132）、UHF模块（CC1101）和低频模块（AS3933+三维天线）。

▲图6 钥匙端模块示意图

MCU采用的是TI的MSP430F2132，该芯片是16 位超低功耗微控制器，具有 8kB 闪存、512B RAM、10 位 ADC 和 USCI。UHF模块采用的是与基站端相同的CC1101高频模块。为了能够从各个方向来接收低频唤醒信号，钥匙端的低频接收模块采用了奥地利微电子公司的AS3933芯片配合三维天线作为低频信号的接收器件。唤醒接收器有3个独立的接收通道，可以检测接收来自任意方向的唤醒信号。接收到的数据可以与一个模式数据相比较，该模式数据可以在寄存器内编程设定，并可防止错误唤醒。

智能电子钥匙模块处理流程

▲图7 智能电子钥匙模块处理流程

三维低功耗唤醒接收器（AS3933+三维天线）

三维低功耗唤醒接收器主要包括AS3933芯片和NEWIC ELECTRONIC CO.,LTD的3AX12-0720J三合一低频三维接收天线。AS3933是奥地利微电子公司的3通道低频唤醒接收器，实现电池供电系统的远程唤醒功能。AS3933具有80 μVrms敏感度，可对唤醒范围进行优化，其2.7 μA超低电流消耗也极大地延长了电池寿命。AS3933的接收频率范围为15 至150 kHz。AS3933为每个工作通道提供了一个数字RSSI（接收信号强度指示）值，并支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码。它还包括一个由晶体振荡器或内部RC振荡器产生的内部时钟发生器，且AS3933在同类器件中首次提供了内置自动天线调谐器，可将天线调谐到所需的载波频率。AS3933的可编程功能允许为更长的距离进行优化设置，同时保持可靠的“唤醒”。AS3933的灵敏度级别可在较强的射频场或噪声环境下进行调节。天线调谐得到了极大简化，因其自动调谐功能可确保完美匹配所需的载波频率。AS3933工作电压为3.0 V，工作温度范围为-40至+85℃。该器件采用16引脚TSSOP和16引脚QFN (4 mm x 4 mm)封装。

AS3933有两种唤醒模式：

检测到频率与寄存器中设置的频率一致唤醒，这个方式易受干扰；检测到频率与寄存器中设置的频率一致并且模式值也与寄存器中设置的值一致才唤醒，这种方式有较好的抗干扰能力，我们的设计中采用的就是该种方法。NEWIC ELECTRONIC CO.,LTD的3AX12-0720J三合一低频三维接收天线,在本系统中，我们的三维低功耗唤醒接收器工作于125KHz。 通过采用这样一款三维接收天线与奥地利微电子公司AS3933芯片配合，使得电子钥匙无论从哪个方向接收到基站发来的低频唤醒信号，都能够成功捕获并处理。然后唤醒MCU ，并将低频信号中的PATTERN码传给MCU，进行下一步的处理工作。

▲图8 低频三维接收天线（不带外壳封装）

低频三维接收天线的工作流程如下图：

▲图9 低频三维接收器的工作流程图

RF远距离门禁技术难点

工作范围控制和钥匙定位

由于本设计的应用特殊性，我们要求实现钥匙与门禁在一定距离范围内（2m）才可触发门禁系统工作。考虑的是使用舒适与便捷性和安全性的考虑。在有效工作距离的控制上，我们起初只是应用433MHz高频技术来完成我们的设计，但是我们开发的过程中遇到了工作距离很难有效控制在2m范围内。降低基站发射功率的话，又会造成通信不稳定的问题。

另外一个问题是门内外钥匙定位的问题，因为本身高频433MHz的通信频率，用于做2m内的通信距离控制和定位是比较困难的，RSSI值的波动很大，我们尝试了各种办法，任无法做到较精确的定位。最后是受到汽车电子PKE技术的启发，将双频技术应用到本设计中，加入了125KHz低频模块。由于低频通信技术的特点，我们能够比较容易控制其空间通信的距离。通过两个低频125KHz收发天线的合理布局，实现了门内外定位钥匙的功能，能够有效防止了尾随入门和非法出入的可能。

触发方式

本设计中，启动门禁系统基站部分向外发射125KHz低频信号的装置，可以有多种方式。周期性定时向外发射。该方法的好处是可以完全不用用户手动去触发系统，只要用户携带有效的要是，走进了门禁系统的有效工作范围之内，那么门禁就会自动触发，主动将门禁系统解锁，用户便可直接进入门内，给用户一种高效智能舒适大方的门禁解锁体验。

热释电红外触发方式。通过在门禁合适的地方外接一个热释电红外设备辅助检测有无人体靠近，若在有效范围内检测到有红外放射物体接近，那么久发出信号，触发门禁基站向外发射125KHz低频唤醒信号，若是检测到有效的钥匙回应，那么久能够成功开启门禁。但是如果检测到阿猫阿狗之类的出现在监测范围内，也有可能误触发门禁装置。而且热释电红外探头的质量和稳定性也很难控制的好。钥匙主动触发。钥匙上设置有开锁按钮，用户可以通过按下电子钥匙上的开锁按钮，来触发门禁系统的开锁动作。

按键式被动触发。通过在门禁处设置一个按钮（主机上或者是门把手上），当用户用手按下该按钮，则启动门禁系统基站向外发射125KHz低频唤醒信号，若检测到有效钥匙回应，则成功开启门禁，门禁解锁，该过程正常情况下不会超过1s ，所以体验上完全可以接受。并且本方法稳定安全，可控性好，遂作为默认的提供方式。

功耗控制

功耗控制主要是对于钥匙端来说的。电子钥匙使用的是RC 2032型纽扣电池。

功耗的控制非常重要，我们在采取的功耗控制手段有：在非工作时段中，使不必要的模块（如MCU，高频通信模块等）进入休眠状态；让三维接收天线工作在一个合适的周期频率中。三根接收天线轮流间歇性工作，最大限度的节省能量损耗。通过不断调整和测试，我们可以做到正常使用状态下，一粒纽扣锂电池正常使用，至少可以使用12个月以上的时间。

多卡防碰撞

门禁系统不可避免的，可能会遇到多张卡同时出现在基站有效工作范围内。此时基站发出的低频唤醒信号会被多把电子钥匙同时接收到，若多把钥匙同事给基站回应，则很容易发生多卡碰撞的情况，导致电子钥匙认证失败。为了避免这样的情况发生，我们在电子钥匙端的回应机制上加入了防碰撞检测机制，采用信道侦听检测，避免碰撞的算法，随机延时重发机制，可以有效避免多方碰撞的问题。

结束语

通过双频技术和三维天线的技术的加入，使得本门禁系统能够得以顺利实现。真正做到了免掏免刷出入门禁系统的效果。解决了关键的有效工作距离范围控制和门内外定位问题。让我们的门禁系统更智能化，更方便用户的出入行。极大的提升了我司门禁系统产品行业领域产品的档次。大大改善了用户的使用效果。