Электронное замковое устройство

Изобретение относится к электрическим замкам с электронными устройствами и может быть использовано для запирания квартиры, офиса, сейфа и т.д. Электронное замковое устройство содержит ключ и замок. Электронный ключ содержит кнопки «открыть», «закрыть», индикаторы «открыто», «закрыто», приемопередатчик, микроконтроллер. Электронный замок содержит электромеханическое исполнительное устройство, микроконтроллер, приемопередатчик. Передатчик содержит фазовый манипулятор, генератор высокой частоты, первый смеситель, первый гетеродин, усилитель первой промежуточной частоты, усилитель мощности и передающую антенну. Приемник содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, полосовой фильтр и фазовый детектор. Изобретение позволяет повысить надежность дуплексной радиосвязи между ключом и замком путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 3 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к электрическим замкам с электронными устройствами внутри и вне замка и может быть использовано для запирания квартиры, офиса, сейфа, дачи, гаража, автомобиля, а также управления устройствами охраны акваторий, временно закрываемых для судоходства.

Известны электронные замки (авт. свид. СССР №№1.240.859, 1.796.005; патенты РФ №№2.159.836, 2.182.636, 2.180.386, 2.223.376; патенты США №№4.042.970, 4.831.860, 5.151.927, 5.209.088; патенты Великобритании №№2.141.774, 2.261.254; патенты Франции №№2.559.193, 2.692.309; патенты Германии №№3.407.128, 3.907.326; патенты Японии №№59-192.167, 60-29.912 и другие).

Из известных электронных замков наиболее близким к предлагаемому является «Электронное замковое устройство» (патент РФ №2.180.386, Е05В 49/00, 2001), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обладает повышенной защищенностью от любого несанкционированного вскрытия, но не обеспечивает надежную дуплексную радиосвязь между ключом и замком.

Технической задачей изобретения является повышение надежности дуплексной радиосвязи между ключом и замком путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и двух частот.

Поставленная задача решается тем, что в электронном замковом устройстве, содержащем замок и ключ, в которое входят электромеханическое исполнительное устройство, кнопки «открыть-закрыть», индикаторы «открыто-закрыто», приемопередатчики двусторонней связи между ключом и замком, элементы электропитания и микроконтроллеры, имеющие два вида памяти, данных и программную, при этом память данных содержит одинаковую для замка и ключа запись кодов, индивидуальных на каждое отпирание, в то время программная память содержит различную для замка и ключа запись команд, выполняемых при отпирании или запирании, входящие в состав замка электромеханическое исполнительное устройство и приемопередатчик подключены к микроконтроллеру замка, а входящие в состав ключа кнопки «открыть-закрыть», индикаторы «открыто-закрыто» и приемопередатчик подключены к микроконтроллеру ключа и, кроме того, элементы электропитания подключены к шинам электропитания замка и ключа, каждый передатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу микроконтроллера фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, усилителя мощности и передающей антенны, каждый приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен и микроконтроллеру, причем частоты и гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

сложные сигналы с фазовой манипуляцией ключом излучаются на частоте а принимаются на частоте а замком, наоборот, излучаются на частоте W₂, а принимаются на частоте W₁.

Структурная схема предлагаемого электронного замкового устройства представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, показывающая процесс преобразования сигналов, показана на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы дуплексной радиосвязи, изображены на фиг.3.

Электронное замковое устройство содержит ключ и замок. В электронный ключ входят кнопки «открыть» 1, «закрыть» 2, индикаторы «открыто» 3, «закрыто» 4, приемопередатчик 5, в который входят передатчик 8 и приемник 9. Электропитание ключа обеспечивает элемент 7. При этом в ключе к портам микроконтроллера 6 подключены кнопки «открыть» 1, «закрыть» 2, индикаторы «открыто» 3, «закрыто» 4 и приемопередатчик 5.

В электронном замке к портам микроконтроллера 14 подключены приемопередатчик 10 и электромеханическое исполнительное устройство 13. В состав приемопередатчика 10 входят приемник 11 и передатчик 12. Устройство 13 имеет два входа управления: «открыть» и «закрыть», а также два выхода подтверждения исполнения команды: «открыто» и «закрыто». Электропитание замка обеспечивает элемент 15.

Каждый передатчик 8 (12) выполнен в виде последовательно подключенных к микроконтроллеру 6 (14) фазового манипулятора 16 (31), второй вход которого соединен с выходом генератора 17 (32) высокой частоты, первого смесителя 18 (33), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 19 (34), усилителя 20 (35) первой промежуточной частоты, усилителя 21 (36) мощности и передающей антенны 22 (37).

Каждый приемник 9 (11) выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 23 (38), усилителя 24 (39) высокой частоты, второго смесителя 25 (40), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 26 (41), усилителя 27 (42) второй промежуточной частоты, перемножителя 28 (43), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 19 (34), полосового фильтра 29 (44) и фазового детектора 30 (45), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 26 (41), а выход подключен к микроконтроллеру 6 (14).

При этом частоты и гетеродинов 19 (34) и 26 (41) разнесены на значение второй промежуточной частоты

Сигналы с фазовой манипуляцией ключом излучаются на частоте , a принимаются на частоте а замком, наоборот, излучаются на частоте W₂, a принимаются на частоте W₁.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Память данных микроконтроллеров 6 и 14 замка и ключа одинакова. Она содержит n ячеек. В каждой ячейке записан различный код на каждое единичное открывание замка. В качестве кода используются, например, m-разрядные числа. В одной из ячеек памяти данных находится код текущего отпирания, который при последующем запирании случайным образом переходит в другую ячейку.

В программной памяти микроконтроллера 6 ключа используется семь последовательных команд на отпирание и три на запирание замка. В программной памяти микроконтроллера 14 замка используется восемь последовательных команд на отпирание и шесть на запирание замка.

Команды на отпирание или запирание запускаются автоматически после нажатия кнопок «открыть» 1 или «закрыть» 2.

Для управления используется двусторонняя (дуплексная) связь между ключом и замком. В случае оптронной связи оптодатчики приемопередатчиков 5 и 10 замка и ключа должны быть направлены друг на друга, как в ПДУ телевизоров.

Соответствующий код текущего отпирания одной из ячеек памяти и соответствующая команда на отпирание или запирание замка из программной памяти в микроконтроллере 6 формируют модулирующий код M₁(t) (фиг.3, б), который поступает на первый вход фазового манипулятора 16.

Генератор 17 высокой частоты формирует гармоническое колебание (фиг.3, а)

где , W_с, , - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания; которое поступает на второй вход фазового манипулятора 16. На выходе последнего образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.3, в)

где - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг.3, б), причем при К·τ_э<t<(К+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=К·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, ... N₁);

τ_э, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью

который поступает на первый вход первого смесителя 18, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 19

На выходе смесителя 18 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

где

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

- первая промежуточная частота;

Это напряжение после усиления в усилителе 21 излучается передающей антенной 22 в эфир на частоте , улавливается приемной антенной 38 и через усилитель 39 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 40. На второй вход смесителя 25 подается напряжение гетеродина 26. На выходе смесителя 25 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 42 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

- вторая промежуточная частота;

которое поступает на первый вход перемножителя 43. На второй вход перемножителя 34 подается напряжение гетеродина 34 (фиг.2)

При этом частоты и гетеродинов 41 и 34 разнесены на значение второй промежуточной частоты

На выходе перемножителя 43 образуется напряжение (фиг.3, г)

где

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

которое выделяется полосовым фильтром 44 и поступает на информационный вход фазового детектора 45, на опорный вход которого подается напряжение гетеродина 41. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 45 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, д)

где ,

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.3, б). Это напряжение с выхода фазового детектора 45 поступает в микроконтроллер 14.

Различные команды в микроконтроллере 14 формируются в модулирующий код M₂(t) (фиг.3, ж), который поступает на первый вход фазового манипулятора 31. На второй вход фазового манипулятора 31 поступает гармоническое колебание (фиг.3, е)

с выхода генератора 32 высокой частоты. На выходе фазового манипулятора 31 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.3, з)

который поступает на первый вход смесителя 33, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 34. На выходе смесителя 33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 35 выделяется напряжение промежуточной частоты

где

Это напряжение после усиления в усилителе 36 мощности излучается передающей антенной 37 в эфир на частоте W₂=W_пр, улавливается приемной антенной 23 и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 25, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 26. На выходе смесителя 25 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 27 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

- вторая промежуточная (разностная) частота;

которое поступает на первый вход перемножителя 28, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 19. На выходе перемножителя 28 образуется напряжение (фиг.3, и)

где

которое выделяется полосовым фильтром 29 и поступает на информационный вход фазового детектора 30, на опорный вход которого подается напряжение гетеродина 26. На выходе фазового детектора 30 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3, к)

где

пропорциональное модулирующему коду M₂(t) (фиг.3, ж). Это напряжение с выхода фазового детектора 30 поступает в микроконтроллер 6.

Ключом выполняются следующие команды при отпирании замка:

46 - посылка передатчиком 8 на замок сигнала запроса - номера ячейки, в которой записан код текущего отпирания;

47 - включение приемника 9 на время приема от замка-сигнала - номера ячейки;

48 - получение от замка сигнала номера ячейки;

49 - извлечение кода отпирания из памяти данных микроконтроллера 6 ключа согласно принятому номеру ячейки;

50 - передача кода отпирания на замок;

51 - получение от замка сигнала «открыто»;

52 - включение индикатора 3 «открыто».

Команды, выполняемые замком при отпирании:

53 - прием от ключа сигнала запроса номера ячейки с кодом текущего отпирания;

54 - передача этого номера на ключ передатчиком 12;

55 - включение приемника 11 на время передачи ключом кода отпирания;

56 - прием сигнала, переданного ключом;

57 - взаимное вычитание кодов (чисел), принятого и записанного в ячейке отпирания замка.

В зависимости от результатов вычитания используется два варианта последующих команд:

1) разность не равна нулю: 6^a - блокировка исполнительного устройства 13; 7^a - включение сигнала тревоги;

2) разность равна нулю: 6^б - включение электромеханического исполнительного устройства 13 на отпирание; 7^б - получение от исполнительного устройства 13 сигнала «открыто»;

8 - передача сигнала «открыто» на ключ.

При запирании замка ключ выполняет следующие команды:

58 - передача на замок сигнала «закрыть»;

59 - прием от замка сигнала «закрыто»;

60 - индикация сигнала «закрыто».

Замок при запирании выполняет следующие команды:

61 - прием от ключа команды «закрыть»;

62 - включение электромеханического исполнительного устройства 13 на запирание;

63 - получение микроконтроллером 14 замка от исполнительного устройства сигнала «закрыто»;

64 - перенос случайным образом кода текущего отпирания замка в другую ячейку памяти данных микроконтроллера 14;

65 - передача на ключ сигнала «закрыто»;

66 - подготовка приемника замка 11 к новому приему сигнала запроса номера ячейки с кодом отпирания.

Поскольку в цикле «открыть-закрыть» отсутствует информация о последующем отпирании электронного замкового устройства, то перехват сеанса связи ключа с замком не дает возможности скопировать сигнал отпирания (создать электронную отмычку).

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности дуплексной радиосвязи между ключом и замком.

Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и двух частот W₁ и W₂.

Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими передатчиками электронных замковых устройств и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого передатчика во всем диапазоне частот сигналами со сложной структурой с выделением радиоприемным устройством сигнала, необходимого замкового устройства посредством его структурной селекции,

Интересной особенностью системы связи, использующей сложные сигналы с фазовой манипуляцией, являются ее адаптивные свойства: с уменьшением числа работающих электронных замковых устройств помехоустойчивость оставшихся автоматически возрастает. Благодаря частотной избыточности широкополосных систем связи они могут успешно работать при наличии в полосе частот принимаемого сложного ФМн-сигнала нескольких узкополосных радиостанций.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи, следует отнести проблему установления надежной связи между ключом и замком при наличии многолучевого распространения радиоволн. Наличие многолучевого распространения приводит к искажению принимаемых сигналов, что затрудняет прием и снижает достоверность передачи информации. Попытки преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложный ФМн-сигнал благодаря своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность «свернутого» импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения и вскрытия (создание электронной отмычки) сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Дуплексная радиосвязь между ключом и замком основана на использовании двух частот W₁ и W₂.

Сложные ФМн-сигналы ключом излучаются на частоте

а принимаются на частоте

Причем частоты и гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

Электронное замковое устройство, содержащее замок и ключ, в которые входят электромеханическое исполнительное устройство, кнопки «открыть-закрыть», индикаторы «открыто-закрыто», приемопередатчики двусторонней связи между ключом и замком, элементы электропитания и микроконтроллеры, имеющие два вида памяти - данных и программную, при этом память данных содержит одинаковую для замка и ключа запись кодов, индивидуальных на каждое отпирание, в то время программная память содержит различную для замка и ключа запись команд, выполняемых при отпирании или запирании, входящие в состав замка электромеханическое исполнительное устройство и приемопередатчик подключены к микроконтроллеру замка, а входящие в состав ключа кнопки «открыть-закрыть», индикаторы «открыто-закрыто» и приемопередатчик подключены к микроконтроллеру ключа и, кроме того, элементы электропитания подключены к шинам электропитания замка и ключа, отличающееся тем, что каждый передатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу микроконтроллера фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты и передающей антенны, каждый приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к микроконтроллеру, причем частоты и гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

сложные сигналы с фазовой манипуляцией ключом излучаются на частоте а принимаются на частоте а замком, наоборот, излучаются на частоте W₂, а принимаются на частоте W₁.