基於無源射頻識別標籤的智能門鎖的製作方法
2023-04-23 03:44:47 2
本發明涉及智能家居技術領域，具體是指一種集機械鑰匙的物理配對和無源射頻識別加密晶片的密鑰配對為一體的智能門鎖。
背景技術：
當前，市場上的通用智能鎖主要是用非機械鑰匙開門的鎖，如現在的酒店、辦公場所等通用的感應磁卡式智能鎖。通用智能鎖的原理為通過外部信息識別系統與內部系統實現信息交換，若交換成功，則驅動鎖體內的機械執行機構進行動作從而把門打開。智能鎖由於無需用戶通過機械方式開門，從而給用戶帶來了方便。但是由於人們長期以來的開鎖習慣及思維方式，這種感應式智能門鎖始終無法進入普通家庭中，原因在於這種感應式門鎖從心理上給人們一種不安全的感覺，卡片式的鑰匙在攜帶及保管過程中均存在諸多讓人們不安的因素，如不容易辨識、易丟失、不靈敏、鑰匙容易被複製等，同時，由於人們多年開鎖習慣形成的思維方式，用戶還是更加喜歡傳統的將鑰匙插入鎖孔、轉動鎖芯來開鎖的方式，這樣能夠給使用者一種踏實的安全感。
隨著科技的發展，人們不斷研發出各種安全性更高的智能門鎖：
(1)密碼驗證，如中國發明專利申請CN103982087A公開了一種新型智能電子密碼鎖。該類發明以用戶輸入正確的密碼作為身份驗證通過的標誌，具有可以省去實體鑰匙的優點，但缺點是：密碼如果設置過於簡單，容易被破解，密碼如果設置過於複雜，容易被遺忘。
(2)指紋驗證，如中國發明專利申請CN104036564A公開了一種旅行箱指紋鎖。該類發明以用戶輸入正確指紋作為身份驗證通過的標誌，具有可以省去實體鑰匙的優點，但缺點是：有拒識的可能(如手指乾燥、油汙等)；指紋有可能被偽造。
(3)虹膜驗證，如中國發明專利申請CN103806789A公開了一種具備虹膜識別功能的智能保險柜。該類發明以採集到正確的虹膜作為身份驗證通過的標誌，具有可以省去實體鑰匙，安全性較高的優點，但缺點是：虹膜圖像不宜採集，且需要使用者擺出特定的姿勢配合採集，影響使用的舒適性，且成本過高，對於普通的家庭來說往往承擔不起。
(4)網際網路智能門鎖，如中國發明專利申請CN104574613A公開了一種基於網際網路的智能門鎖系統，該門鎖通過有線或無線方式連接至使用者家裡的網絡，並通過網絡實現了使用者終端設備與鎖具的實時互聯，使得使用者可遠程查看、控制鎖具。這種鎖具一般也是刷卡式智能鎖，並且這種智能門鎖系統需要家裡的網絡設備和鎖具始終保持在線狀態，這對於網絡資源和供電能源是一種巨大的消耗，並且鎖具的正常使用嚴重依賴於網絡，其適用範圍存有較大的限制。
隨著無源射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術的發展，RFID標籤以其成本低、識讀靈敏、安全性高等特點得到越來越廣泛的應用，同樣的，將RFID與門鎖結合的技術也成為很多鎖具行業研發人員的研究方向，如公開號為CN104652964A的發明專利申請和公開號為CN2539810Y的實用新型專利，均公開了將RFID標籤與門鎖結合的技術方案：將RFID標籤封裝於鑰匙的末端，在門鎖端設置RFID標籤的讀取設備，並設有與該讀取設備相連接的控制機構(如電磁閂或電磁開關)，插入鑰匙時鑰匙鎖齒與鎖芯進行常規的機械結構匹配認證，同時，門鎖端的RFID讀取設備讀取鑰匙末端的RFID標籤，對鑰匙進行電子識別認證，只有當機械認證和電子認證都成功時，才能打開門鎖，否則，控制機構將鎖舌鎖定，使得無法開門，同時發出警報信息。
上述融合了RFID技術的門鎖具有較好的代表性，其不但保留了用戶現在常規的開鎖方式，而且在門鎖常規機械認證的基礎上，加入了RFID標籤的電子識別認證，雙重認證方式使得門鎖的安全性得到大幅提高。
但是上述技術方案僅僅提及了一個概念性的技術內容，對於門鎖和鑰匙的具體結構信息完全沒有涉及，並且，上述兩篇對比文件中關於開鎖方法中均存在一個不足的地方：電磁閂(或電磁開關)在未開鎖狀態下處於空置狀態，此種狀態下門鎖的結構與普通的門鎖無異，只有在鑰匙認證失敗後，電磁閂(或電磁開關)才啟動鎖定鎖舌，這樣的結構設計仍然存在技術開鎖的可能性，並且如果斷開門鎖內的電源，則電磁閂(或電磁開關)徹底無法發揮作用，該智能門鎖與普通的門鎖無異，則存在較大的安全隱患。
技術實現要素：
本發明目的在於克服現有智能門鎖安全性不高、使用不便等缺陷，提供一種集機械鑰匙的物理配對和無源射頻識別加密晶片的密鑰配對為一體的智能門鎖，安全性高同時又不改變大眾的開鎖習慣。
為實現上述目的，本發明所採取的技術方案為：基於無源射頻識別標籤的智能門鎖，包括機械鑰匙和鎖體兩部分，所述機械鑰匙的末端封裝由無源射頻識別晶片和線圈構成的射頻識別標籤，所述鎖體包括鎖頭和插裝於鎖頭內的鎖芯，鎖頭內設有標籤的讀取裝置，鎖芯內設有機械鑰匙的插孔，所述讀取裝置包括設置於鎖頭內的線路板、感應線圈以及電池，所述感應線圈和電池分別電連接至線路板，用於識別機械鑰匙末端的射頻識別標籤，鎖頭下部設有通孔，鎖芯插裝於鎖頭下部的通孔內且可在通孔內旋轉，所述鎖頭內部開設有電磁閥孔，其內固定有電磁閥，所述電磁閥電連接至線路板，所述鎖芯上部開設有與所述電磁閥孔相對應的閥芯孔，使得所述電磁閥在未開鎖狀態下，閥芯在重力作用下自然落入閥芯孔內，閥芯上端位於所述電磁閥內，而下端位於所述閥芯孔內，將所述鎖芯鎖定，而當插入的機械鑰匙匹配成功後，閥芯可全部收回至電磁閥內，將所述鎖芯解除鎖定。
實現本發明目的的技術方案還進一步包括，所述機械鑰匙末端封裝的射頻識別標籤為管狀RFID標籤，管狀RFID標籤的縱向方向朝向於鑰匙的前後兩端，且縱向中心線與鑰匙的中心線重合；所述管狀RFID標籤包括密封管、線圈、磁棒以及無源射頻識別晶片四部分，所述線圈纏繞於磁棒上以增加線圈的磁通量，線圈的兩端與無源射頻識別晶片焊接固定，所述無源射頻識別晶片、線圈和磁棒封裝於密封管中。
本發明實施例的再一目的在於提供一種上述智能門鎖的開鎖方法，所述開鎖方法包括如下流程：
(1)將機械鑰匙插入鑰匙孔，觸動鎖體內的觸點開關；
(2)線路板接收到觸點開關產生的電平觸發信號，喚醒處於休眠狀態的主控晶片，主控晶片繼而喚醒各種外設；
(3)鎖體內的鎖芯對機械鑰匙的鎖齒進行匹配，同時，標籤讀取裝置檢測機械鑰匙上的射頻識別標籤，並將檢測信息傳送至主控晶片；
(4)主控晶片判斷射頻識別標籤是否合法，若沒有發現RFID標籤或者RFID標籤不包含在開鎖授權白名單中，則判定為非法，鎖體內的機構均不動作，保持未開鎖狀態下的鎖定結構，鎖芯被電磁閥鎖定無法開門，LED指示燈顯示紅色；若RFID標籤包含於開鎖授權白名單中，且鎖芯與機械鑰匙的鎖齒相匹配，則插入的機械鑰匙匹配成功，線路板驅動電磁閥通電工作，閥芯被吸起收回至電磁閥內，解除對鎖芯的鎖定，此時即可通過機械鑰匙轉動鎖芯，打開鎖舌，實現開門，LED指示燈顯示綠色；
(5)觸點開關檢測鑰匙是否拔出，若是，則主控晶片和外設轉入休眠狀態，完成整個開鎖過程。
上述智能門鎖的開鎖方法，其進一步的技術特徵還包括用戶終端通過線路板的串口對主控晶片進行設置，包括匹配鑰匙、授權鑰匙、刪除鑰匙，對鑰匙使用情況進行追溯，對鑰匙權限進行管理和配置等。
本發明將現有門鎖與無源射頻識別技術相結合，實現無源射頻識別加密晶片的密鑰配對與機械鑰匙的物理結構配對來進行雙重安全認證保護，用戶在使用體驗上與現有的普通機械鑰匙完全無異，但是在門鎖的安全性、使用便捷性等方面均強於現在的普通機械門鎖和各種智能門鎖，並且由於內置於鑰匙的無源射頻識別標籤ID碼具有唯一性，用戶可識別該鑰匙，並對其使用狀態進行追溯，對其權限進行管理和配置，極大地提高了鎖具的安全性，解決了現有門鎖鑰匙被仿製、智能門鎖因網絡故障等因素而導致的安全隱患問題。
附圖說明
圖1為本發明立體結構圖；
圖2為本發明結構分解圖；
圖3為本發明鎖芯被鎖定狀態下的剖視結構圖；
圖4為本發明鎖芯解鎖狀態下的剖視結構圖；
圖5是圖4的局部放大圖；
圖6為本發明工作原理圖；
圖7為本發明工作電路圖；
圖8為本發明加工流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1和圖2所示，本發明所述一種基於無源射頻識別標籤的智能門鎖，包括機械鑰匙和鎖體兩部分，所述機械鑰匙的末端封裝由無源射頻識別晶片和線圈構成的射頻識別標籤，前端的鎖齒部分採用現在市面上安全性較高的葉片鎖，通過不同物理結構的鎖齒區別配對不同的鎖芯，達到防止誤開的目的；所述鎖體包括鎖頭和鎖芯，鎖頭內設有標籤的讀取裝置，鎖頭下部設有通孔，鎖芯插裝於鎖頭下部的通孔內且可在通孔內旋轉，鎖芯內設有機械鑰匙的插孔，用於插入機械鑰匙，並對機械鑰匙的鎖齒進行機械結構的配對，以驗證鑰匙的合法性。
所述鎖體前端部設有面板11，所述面板11與鎖體成垂直結構，所述面板11後部設有面板後蓋13，所述面板後蓋13扣合固定於面板11上並與面板形成密封的空腔體，面板後蓋13另一側通過螺絲固定於鎖頭2上。面板11設有與所述鎖芯3相對應的鑰匙孔12，面板後蓋13上設有與鑰匙孔12和鎖芯3相對應的鑰匙孔，因此，機械鑰匙1可穿過面板和面板後蓋的鑰匙孔插入鎖芯3內，如圖3和圖4。
鎖頭內設置的標籤讀取裝置包括線路板4、感應線圈5以及電池9，所述線路板4通過螺絲固定於面板後蓋13上並位於面板後蓋13與面板11形成的密封空腔體內。感應線圈5電連接至線路板4，其位於面板後蓋13背部，並以所述鎖芯3為中心軸環繞於鎖芯3外部。鎖體後端固定有可打開的後蓋，電池9固定於後蓋內並電連接至線路板4。鎖體末端穿出後蓋並連接有反鎖開關10，用於從室內進行反鎖。
所述鎖頭2內部開設有電磁閥孔21，其內固定有電磁閥6，所述電磁閥6電連接至線路板4，所述鎖芯3上部開設有與所述電磁閥孔21相對應的閥芯孔31，如圖2、圖3和圖4所示。所述電磁閥6用於接受線路板4的控制信號在未吸合閥芯和吸合閥芯兩種狀態之間進行切換：在未開鎖狀態下，處於未吸合閥芯的狀態，閥芯61在重力作用下自然落入閥芯孔31內，閥芯61上端位於所述電磁閥6內，即鎖頭2內，而下端位於所述閥芯孔31內，即鎖芯3內，閥芯61卡在鎖頭2和鎖芯3之間，從而將所述鎖芯3鎖定，如圖3；而當插入的機械鑰匙匹配成功後，電磁閥6轉入吸合狀態，閥芯61可全部收回至電磁閥6內，將所述鎖芯3解除鎖定，如圖4。
由於本發明採用乾電池對線路板進行供電，當電池電力不足時，該讀取裝置將無法啟動工作對機械鑰匙末端的射頻識別標籤進行識別，因此即使插入正確的鑰匙，線路板由於無法使電磁閥工作將閥芯吸起，用戶仍然無法將門打開，影響了用戶的正常使用。
為避免此種情況的發生，本發明所述面板11與面板後蓋13形成的空腔體內設有至少一個觸點開關通道，通道內固定有彈簧71，彈簧的前端頭固定有連接至線路板4的觸點開關7，所述觸點開關7位於鑰匙孔12與鎖芯3之間，且當鑰匙孔12中插入鑰匙時可將觸點開關7推入觸點開關通道內，用於檢測鑰匙的插入狀態，並啟動或關閉標籤讀取裝置。
在無鑰匙插入狀態下，讀取裝置處於休眠狀態，消耗極少的電量，當插入鑰匙時，觸點開關檢測到鑰匙的插入產生電平觸發信號至線路板，線路板喚醒處於休眠狀態的主控晶片，主控晶片繼而喚醒各種外設，讀取裝置開始工作，通過感應線圈對外發射電磁場以檢驗鑰匙的匹配性。當檢驗正確後，面板表面固定的LED指示燈8顯示綠色，同時用戶可通過鑰匙轉動鎖芯開門，當用戶完成開門並拔出鑰匙後，觸點開關再次復位，讀取裝置再次啟動待機模式。因此，本智能門鎖的讀取裝置僅在開門的一瞬間進行工作，並且由於本讀取裝置與無源射頻識別標籤的低功耗設計，使得電池的電量足夠用戶正常使用2-3年時間。
上述論述可以用公式計算如下：
本發明讀取裝置待機功耗為小於20uA，其僅在有鑰匙插入，觸發觸點開關時才啟用工作狀態，整機工作功耗小於60mA。假定用戶每天開門10次，每次開門持續時間5秒(即讀取器每次開門時工作時間為5秒)，一年365天，則，
乾電池的電量為1000mAh，則，
當電池電量不足時，使用者自行拆開門鎖後端的電池蓋更換電池即可，簡便易行，安全可靠。
本發明實施例中所述觸點開關通道為兩組，兩組限位塊72上下對應固定於面板後蓋13上，從而在面板11與面板後蓋13形成的空腔體內形成兩組觸點開關通道，如圖2所示。所述兩組觸點開關通道以鑰匙孔12為中心對稱設置，兩組觸點開關通道內分別固定彈簧71，彈簧的前端頭固定有連接至線路板的觸點開關7，兩組觸點開關在無鑰匙插入狀態下相互接觸於鑰匙孔12與鎖芯3之間，且當鑰匙孔12中插入鑰匙時可將各觸點開關分離以檢測鑰匙的插入狀態。
所述LED指示燈8數量至少為一個，當數量為一個時，所述LED指示燈為雙色燈，當LED指示燈為單色燈時，其數量為兩個或兩個以上，並分別電連接至線路板4，用於根據門鎖的工作狀態顯示出不同的顏色以提示使用者。
由於人們在日常外出時都會將鑰匙放在衣物口袋中或者是包中隨身攜帶，因此需要鑰匙小巧輕便且具有較強的抗撞擊能力，否則，無源射頻識別晶片經過撞擊而出現電路故障，或者連接至晶片的線圈脫落或斷裂均將導致該鑰匙無法被讀取而無法開門。本發明機械鑰匙由於前端需要設置鎖齒，因此只能選擇在其後端的手持部分封裝射頻識別標籤，並且機械鑰匙的後端手持部分需要採用注塑封裝，避免採用金屬材質，以防止線圈的磁力線被金屬材質屏蔽，影響其內封裝的射頻識別標籤的數據讀取。射頻識別標籤的封裝對標籤的抗撞擊程度、線圈的抗撞擊程度、線圈的朝向等技術問題均有嚴格的技術要求。
如圖4及圖5所示，本發明所述機械鑰匙1末端封裝的射頻識別標籤為管狀RFID標籤，所述管狀RFID標籤包括密封管1a、線圈1b、磁棒1c以及無源射頻識別晶片1d四部分，所述線圈1b纏繞於磁棒1c上以增加線圈的磁通量，線圈的兩端與無源射頻識別晶片1d焊接固定，所述無源射頻識別晶片1d、線圈1b和磁棒1c封裝於密封管1a中。封裝時，將密封管1a的縱向方向朝向於鑰匙的前後兩端，且密封管1a的縱向中心線與鑰匙的中心線重合，使得線圈1b的磁力線方向垂直於面板11，保證該線圈垂直於鎖體內的感應線圈5。
本發明機械鑰匙內封裝的射頻識別標籤為工作頻率在125kHz的低頻電子標籤，為無源被動式電子標籤，其工作能量通過電感耦合的方式從鎖體端讀取裝置感應線圈的射頻場中獲得，被動晶片在射頻場條件下主動發出經過加密的應答信息，從而啟動加密認證的過程；在鑰匙管理模式下，鎖體內置的讀取裝置可以可靠的對鑰匙內晶片進行編程控制，設定其密鑰和授權權限，並在無源方式下做到十年以上的數據保存。
本發明鑰匙端的射頻識別標籤和鎖體內的標籤讀取裝置之間的命令採用加密的密文進行傳送，加密方式採用目前國際上通用的安全級別高的3DES加密算法(3DES，或稱為Triple DES，是三重數據加密算法塊密碼的通稱，它使用3條56位的密鑰對數據進行三次加密，它相當於是對每個數據塊應用三次DES加密算法，通過增加DES的密鑰長度來避免暴力破解的攻擊)，或者是加密級別更高的AES加密算法(Advanced Encryption Standard，縮寫：AES，在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準)。因此，外界即使截取到晶片與讀取裝置之間的數據，仍然無法破解該密文並仿製出匹配的鑰匙。如果鑰匙丟失，用戶可以重新設置鎖體內的讀取裝置和鑰匙內的射頻識別標籤的讀寫密鑰，丟失的鑰匙就失效，這從根本上避免了鑰匙丟失而存在的安全隱患。
如圖6和圖7分別為本發明工作原理圖和工作電路圖。
本發明實施例的再一目的在於提供一種上述智能門鎖的開鎖方法，所述開鎖方法包括如下流程：
(1)將機械鑰匙插入鑰匙孔，觸動鎖體內的觸點開關；
(2)線路板接收到觸點開關產生的電平觸發信號，喚醒處於休眠狀態的主控晶片，主控晶片繼而喚醒各種外設；
(3)鎖體內的鎖芯對機械鑰匙的鎖齒進行匹配，同時，標籤讀取裝置檢測機械鑰匙上的射頻識別標籤，並將檢測信息傳送至主控晶片；
(4)主控晶片判斷射頻識別標籤是否合法，若沒有發現RFID標籤或者RFID標籤不包含在開鎖授權白名單中，則判定為非法，鎖體內的機構均不動作，保持未開鎖狀態下的鎖定結構，鎖芯被電磁閥鎖定無法開門，LED指示燈顯示紅色；若RFID標籤包含於開鎖授權白名單中，且鎖芯與機械鑰匙的鎖齒相匹配，則插入的機械鑰匙匹配成功，線路板驅動電磁閥通電工作，閥芯被吸起收回至電磁閥內，解除對鎖芯的鎖定，此時即可通過機械鑰匙轉動鎖芯，打開鎖舌，實現開門，LED指示燈顯示綠色；
(5)觸點開關檢測鑰匙是否拔出，若是，則主控晶片和外設轉入休眠狀態，完成整個開鎖過程。
步驟(4)中所述主控晶片判斷射頻識別標籤是否合法的流程為：
1)判定過程由作為讀取裝置端的鎖芯主控晶片下發授權指令開始，鑰匙端的射頻標籤晶片收到授權指令後，返回射頻標籤晶片內部存儲的典型的32位或者48位的唯一標識代碼，即UID代碼，此為第一步；
2)第二步是讀取裝置端的鎖芯主控晶片結合由鑰匙端返回的UID代碼，將自身產生的32位或者48位隨機數，以及與鑰匙端射頻標籤晶片內置的一致的32位或者48位密鑰代碼，經過一個非線性反饋環形寄存器的運算，產生一個32位或者48位的密匙，再次下發給鑰匙端射頻標籤晶片，用於鑰匙端的射頻標籤晶片的解密認證運算；
3)第三步是鑰匙端的射頻標籤晶片獲取32位或者48位的密匙之後，經過自身的解密和加密運算，將自身計算出的密匙返回給讀取裝置端的鎖芯主控晶片，由主控晶片判定是否合法。
需要特別說明的是：
1、射頻標籤晶片內部存儲的32位或者48位的唯一標識代碼(UID)，且內部存儲區保留有具有同樣位數長度的密鑰代碼，該存儲區被設定成私密，不被任何通訊指令所尋址和讀取，只有晶片自身內部運算時可以用到該存儲區的密鑰內容，因此避免了通過外接設備獲取射頻標籤晶片UID碼的可能性；
2、讀取裝置端主控晶片與射頻標籤晶片之間關鍵的加密解密運算由非線性反饋環形寄存器實施，其中反饋環形寄存器具體的反饋抽頭的不同安排代表了加密方式的不同，即加密中數學變換所採用的代數多項式的不同，其基本背景知識屬於密碼學的範疇，此處不予展開敘述；
3、每次判定運算中的隨機數均不同，導致該加密具有良好的抗破解性，而所有運算中所用到的位數，即32位或者48位，確保了暴力破解都不能達到的極限保密程度，即暴力破解的時間接近於天文數字時間。
用戶在插入鑰匙開鎖的過程中，機械鑰匙鎖齒與鎖芯的物理匹配，和機械鑰匙內封裝的射頻識別標籤與鎖體內的讀取裝置密鑰匹配二者同步進行，且物理匹配與密鑰匹配的過程需要在從鑰匙剛插入鎖芯到最終全部插入的過程中完成，給用戶一種完全相同於現有的普通機械鑰匙的使用體驗，否則，如果鑰匙插入後還需要等待一段時間才能正常開門，這樣的使用體驗將大大降低本發明的市場的接受度。
同時，本發明鎖體內的射頻識別標籤讀取裝置預設了鑰匙高級管理功能，用戶在使用過程中可自行通過線路板的串口對主控晶片進行設置，實現對鑰匙的管理，如匹配鑰匙、授權鑰匙、刪除鑰匙等，或者是對鑰匙的使用情況進行追溯，對鑰匙權限進行管理和配置等。因此，對於如保姆、租客、裝修工等使用過而存有一定安全隱患的鑰匙，或者是，如果遇見鑰匙丟失的情況，用戶便可直接通過操作該讀取裝置來作廢該鑰匙，所以，本發明的智能門鎖從根本上避免了鑰匙丟失而存在的安全隱患。
如圖8所示為本發明加工流程圖，本發明提供了一種基於射頻識別標籤加密的密鑰配對與機械鑰匙的物理結構配對來進行雙重安全認證保護的智能門鎖，用戶在使用體驗上與現有的普通門鎖完全無異，但是在門鎖的安全性、使用便捷性等方面均強於現在的普通機械門鎖和各種智能門鎖。並且，整個鎖體的物理結構上仍然相同於現有的鎖體，因此該鎖體可直接對現有的鎖體進行替換，而無需對門框結構進行更改，降低了市場準入門檻。作為對本發明的進一步升級，本發明的智能門鎖也可以在後臺系統中加入如聲光電等報警裝置，或發送警報信息至用戶終端的信息發送裝置，再或者是將其與家中其它的智能家居設備實現互聯，以進一步提升其功能實用性。