EFM32智能門鎖應(yīng)用案例

概述

　　智能門鎖是指區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械鎖具，在用戶識(shí)別、安全性、管理性方面更加智能化的鎖具。它是智能門禁系統(tǒng)中鎖門的執(zhí)行部件。目前應(yīng)用中常見(jiàn)的智能鎖具可以按照其用戶識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分類：

　　· 生物識(shí)別類，包括指紋鎖、虹膜識(shí)別門禁。該類型鎖具利用生物特征的唯一性，采用生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行用戶ID識(shí)別。它具有安全性高，不存在丟失損壞的優(yōu)勢(shì)，但是它不方便配置，相對(duì)設(shè)備成本較高。
 

　　· 非接觸類，包括磁卡、射頻卡。它具有安全性較高，塑料材質(zhì)，配置便攜較方便，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

　　· 接觸類，包括TM卡，接觸式IC卡CPU卡。安全性很高，不銹鋼材質(zhì)，配置攜帶極為方便，價(jià)格較低。

　　智能門鎖區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械門鎖，它主要包括鎖心、主控電路板、交互操作面板、把手、供電電池盒5個(gè)部分組成。它通常是有源設(shè)備，需要使用電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制鎖具中的執(zhí)行部件。同時(shí)，在門鎖安裝過(guò)程中限于電源走線不便，電池供電拆裝麻煩等原因，智能門鎖在電池供電的條件下，對(duì)于整個(gè)設(shè)備的功耗有苛刻要求。整機(jī)的功耗直接影響到智能鎖具的電池工作壽命，因此它也是智能門鎖廠商產(chǎn)品差異化的明顯標(biāo)志，而主控MCU的低功耗特性在系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　EFM32是由挪威Energymicro公司采用ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)而來(lái)的高性能低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性，適用于“三表”(電表、水/熱表、氣表)、工業(yè)控制、警報(bào)安全系統(tǒng)、健康與運(yùn)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設(shè)備以及智能家居控制等領(lǐng)域。

　　EFM32可應(yīng)用于指紋鎖、非接觸卡式門鎖、接觸式卡式門鎖三類智能門鎖系統(tǒng)中。系統(tǒng)主要包括供電電池、識(shí)別模塊(包括指紋識(shí)別、非接觸式卡讀卡、接觸式卡讀卡)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、交互界面和通信模塊。

　　· 主控MCU EFM32TG/G

　　根據(jù)智能門鎖應(yīng)用的功能需求可配置不同型號(hào)的EFM32芯片作為主控MCU。EFM32的芯片具有良好的兼容性，同系列芯片的引腳為pin-pin兼容。在低端的智能門鎖應(yīng)用中，系統(tǒng)對(duì)于MCU的Flash和RAM資源要求相對(duì)降低，可選用EFM32TG222作為主控，它的封裝為QFP48，F(xiàn)lash和RAM資源從2~4KB和8~32KB;在高端的智能門鎖應(yīng)用中，系統(tǒng)功能復(fù)雜，對(duì)于MCU的Flash和RAM資源要求有所提升，可選用EFM32G222作為主控，它的Flash和RAM資源從8~16KB和32~128KB。

　　· 識(shí)別模塊

　　指紋鎖中的識(shí)別模塊包括指紋采集模塊和DSP組成。指紋采集部分主要將指紋細(xì)節(jié)以單色圖像形式傳輸?shù)紻SP，由DSP執(zhí)行提取特征值的算法并將特征值與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，然后將配對(duì)結(jié)果通過(guò)UART傳輸給主控MCU。

　　非接觸式卡門鎖的識(shí)別模塊主要由讀卡模塊和天線構(gòu)成。當(dāng)用戶開門卡片靠近門鎖時(shí)，卡片通過(guò)門鎖振蕩產(chǎn)生的電磁波中獲得能量，并反饋?zhàn)R別請(qǐng)求，然后通過(guò)非接觸式協(xié)議進(jìn)行信息交換，從而判斷Flash中的數(shù)據(jù)庫(kù)是否與當(dāng)前請(qǐng)求信息匹配。該部分功能主要在MCU中實(shí)現(xiàn)，讀卡模塊與MCU的信息通信主要通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)。

　　接觸式卡門鎖中主要是接觸式卡槽部分，EFM32片內(nèi)的USART帶有標(biāo)準(zhǔn)的智能卡接口(SmartCard，ISO7816)。因此系統(tǒng)連接接觸式卡通信的底層設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，用戶只需專注實(shí)現(xiàn)上層的軟件通信協(xié)議即可。

　　· 供電電源

　　EFM32的工作電壓為1.8~3.8V，工作電壓范圍比較寬，有利于電壓模塊的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。因此智能門鎖可以選用3.3V的鋰電池系統(tǒng)供電，無(wú)需前端添加LDO芯片。又或者選用3節(jié)1.5V的干電池供電加LDO芯片降壓到3.3V。由于芯片的工作電壓比較寬，相對(duì)于傳統(tǒng)的2.8~3.6V的MCU，它省略了升壓芯片、電荷泵等前端芯片。

　　· 執(zhí)行部件

　　EFM32的內(nèi)部Timer可參數(shù)帶死區(qū)控制的PWM和常用的單邊沿、雙邊沿PWM，非常有利于控制開鎖電機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作控制。同時(shí)，為了便于對(duì)非法撬鎖、破壞等情況進(jìn)行警報(bào)，可利用I/O擴(kuò)展相應(yīng)的聲光報(bào)警設(shè)備。為了擴(kuò)展門鎖系統(tǒng)的用戶信息存儲(chǔ)，可利用EFM32的SPI接口對(duì)外擴(kuò)展NorFlash。

　　· 交互與通信

　　在高端的門鎖應(yīng)用中，友好的人機(jī)交互界面是必需的部分，可選用EFM32帶EBI或TFT驅(qū)動(dòng)器的系列芯片擴(kuò)展液晶屏、用UART擴(kuò)展遠(yuǎn)程警報(bào)使用的GSM模塊、使用I/O擴(kuò)展用戶交互操作按鍵。

　　選用EBI接口實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展液晶屏顯示時(shí)，需要選用8080接口帶Driver芯片的液晶屏，而選用片內(nèi)帶TFT驅(qū)動(dòng)器的MCU時(shí)，選用RGB565接口的標(biāo)準(zhǔn)液晶屏接口即可。在簡(jiǎn)單的門鎖系統(tǒng)中也可以省略顯示液晶屏，又或者選用EFM32片內(nèi)帶有的LCD控制器，驅(qū)動(dòng)段碼式的液晶屏進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作指引。在門鎖被暴力破壞或非法闖入時(shí)，主控MCU可通過(guò)UART發(fā)送對(duì)應(yīng)的AT執(zhí)行，控制GSM模塊以短信形式通知用戶。[!--empirenews.page--]指紋鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　非接觸卡式門鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

　　接觸卡式門鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖框圖如下圖所示。

　　方案優(yōu)勢(shì)

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能門鎖方案，基于EFM32實(shí)現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　· 低功耗

　　EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，它具有5種功耗模式，在RTC在運(yùn)行，LEUART、LCD控制器、DMA可運(yùn)行的EM2模式下，功耗電流僅為900nA，在關(guān)斷模式Em4，功耗電流僅20nA。優(yōu)異的MCU低功耗特性將為延長(zhǎng)門鎖的電池壽命起到極其關(guān)鍵的作用。為了滿足低功耗應(yīng)用場(chǎng)合的需求，EFM32具有完善的低功耗工作機(jī)制和極低功耗的外設(shè)，通過(guò)PRS與DMA的結(jié)合，LEUART可以工作在無(wú)內(nèi)核干預(yù)的睡眠模式。在內(nèi)核睡眠模式無(wú)內(nèi)核干預(yù)的情況下，LCD可以保持顯示，甚至可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫顯示。

　　EFM32具有低功耗性能優(yōu)異的外設(shè)：片上12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗電流僅需350μA;模擬比較器工作僅需100nA;LCD驅(qū)動(dòng)8×36段LCD顯示，僅需0.55μA;全功能的LEUART，在9600bps的速率下，功耗電流僅需150nA;AES執(zhí)行128/256bit AES加/解密僅需54/75個(gè)時(shí)鐘周期。

　　· 高集成度、高性能

　　EFM32是Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)核的指令效率以及代碼密度比傳統(tǒng)的8位單片機(jī)高，尤其是在算法處理方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)。例如相同的C語(yǔ)言AES算法或3DES算法，在Cortex-M3內(nèi)核的MCU中運(yùn)行，效率比在8位單片機(jī)上運(yùn)行高約4倍，因此MCU具有更快地處理、響應(yīng)外設(shè)事件的能力。除此外，EFM32片上集成LCD驅(qū)動(dòng)器、智能卡ISO7816接口、AES硬件模塊等資源，豐富的集成外設(shè)為不同的系統(tǒng)應(yīng)用提供多樣性的選擇。

　　· 可擴(kuò)展性良好

　　EFM32的TG、G、GG系列之間具有良好的兼容性，同系列型號(hào)的芯片是pin-pin兼容，保證用戶在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)上，可進(jìn)行不同功能需求的裁剪。Flash資源從最低的4KB~1024KB，RAM資源從2KB~128KB。

　　總結(jié)

　　EFM32具有優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于對(duì)于低功耗有苛刻要求的智能門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用。EFM32內(nèi)核采用運(yùn)算性能突出的Cortex-M3設(shè)計(jì)，極大地縮短了智能門鎖應(yīng)用中的算法處理時(shí)間，提高了系統(tǒng)的性能。EFM32具有豐富的外設(shè)，為系統(tǒng)擴(kuò)展功能及降低成本提供了條件。因此，EFM32是低功耗智能門鎖主控MCU的不二之選。