基于RFID的PKE系统

LF
TAG
UHF
BASE
图3
——————————— 作者简介：兰 天(1985-)，男，山西，同济大学，硕士研究生，研究方向为智能控制，上海 201804；汪宏杰(1976-)，男，浙江，上海科士
达华阳股份有限公司，硕士，研究方向为汽车网络，上海 201804；汪 镭(1970-)，男，江苏，同济大学，教授，博士生导师， 研究方向为智能控制，上海 201804；吴启迪(1947-)，女，浙江，同济大学原校长，教育部副原部长，教授，博士生导师，研究 方向为智能控制，上海 201804
频相结合的方法，实现了 PKE 系统功能和成本的最优化。文中还给出了 PKE 系统的工作原理图、系统框图及软件程序流程
图。
关键词：RFID；PKE；RKE；高频；低频
中图分类号: TN99
文献标志码: A
0 引言
随着汽车时代的到来,汽车无线接入技术得到了更为广 泛的应用。传统的汽车远程遥控门禁系统(RKE: Remote Keyless Entry)，由钥匙发射模块和车内接收模块组成,用户 需要按下钥匙上的按钮开关才能触发系统工作,进行自动遥 控车门和寻车的功能。但是这种传统的 RKE 系统还是不够 完善,当人们手中握着东西不方便拿出钥匙时,遥控车门变得 不太方便。本文提出一种新的无需用户干预的智能无钥匙进 入系统(PKE: Passive Keyless Entry)的设计方案。
TAG 的定位主要是靠测量放置在车内的低频天线发射 的场强来实现的。如图 5 所示，车身内放置了四根低频天线， 其中 3 根低频天线(A,B,C)分别依次放置在车身的中轴线位 置，用于判断 TAG 是否在车内，另外一根低频天线(D)安放 在驾驶员侧，用于搜索识别范围内的 TAG。这些低频天线 的个数以及安装的位置，对磁场的散射有很大的影响。由于 A, B, C 3 根天线放置在车身的中轴线上，且彼此距离相同， 因此可在车内形成一个均匀稳定的电磁场，如果 TAG 在车 内，必然会影响车内的原有的电磁场，这样 TAG 检测到场 强的变化，通过处理将磁场强度发送给 BASE，BASE 将接 收到的场强与原来设定好的门阀值比较，从而判定此时 TAG 是在车内；反之，TAG 在车外。低频天线 D 放置在驾驶员 侧，向车外发送信号，其探测区域形成一个半圆，用于搜索 该区域的有效 TAG。这四根天线的相互配合，可精确的定 位钥匙在车内还是车外。
汽车无钥匙进入系统（PKE）由遥控钥匙（TAG）和遥 控钥匙控制模块（BASE）组成。对 RFID 系统来说，收发 频率大小决定了射频识别系统的识别距离、电路实现的难易 程度以及设计成本。汽车防盗设计中， 125KHz 等 LF 频段 适用于近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用；远距 离的射频通信则使用 433MHz、315MHz 等 UHF 频段。以 下将讨论三种汽车射频通信频率的选择方案。
UHF Transmitter
UHF
UHF
微
接收 控
控
器制
制 器
LF
LF 单 发送 元
器
TAG
BASE
图 4 PKE 系统工作原理图
2.2 遥控钥匙的定位 对遥控钥匙的定位是 PKE 系统中非常重要和关键的一
步，因为他直接关系到整个汽车门禁系统的安全性。只有定 位准确，主控制器才能对发生的事件做出正确的判断，才能 通知相关执行机构做出及时的动作。
这种使用 RFID 技术的免持式被动无钥门禁系统，正逐 渐成为汽车门禁系统应用的主流，成为新车型的普遍选项。 该方法无需用手按动发送器按钮来锁上或者打开车门，只要 拥有一个有效的应答器就可方便的进出车辆。本文介绍的汽 车无钥进入系统，就是射频识别系统在汽车门禁领域的一次 成功的应用。
1 基于 RFID 的汽车 PKE 系统射频通信频率及模 式的选择
是否正确
密码验证
否 密码正确 是
执行开/闭锁命令
结束
5 结论
图 8 按键控制车门开闭锁流程图
本文提出了一种基于射频识别汽车无钥匙进入系统。 LF 唤醒通道有效地把遥控钥匙模块的高频发送操作次数降 到最低，有效地节约了电池电量，延长了钥匙模块的使用寿 命。在通信数据安全性问题上，通过加强无线通信过程中的 加密、解密、随机数生成、数字签名、密钥协商以及应用协 议的制订等，以实现通信双方的保密性、身份验证和信息完 整性。
Data)
HY
ROM/
HX
EROM
(Calibration
Software)
图 6 低频接受芯片结构示意图
假设3个低频通道接收到各自的场强，分别为X，Y，Z。
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开发应用
微型电脑应用
2010 年第 26 卷第 1 期
3D Coil
PKE TAG
Channel 3 Channel 2 Channel 1
Front end RSSI Multiplexer
RSSI Peak detector and Range indication
AD Converter RISC (M RK II)
EEPROM
HZ
(Calibration
TAG
UHF
BASE
图2
方案三： 见图 3，该系统支持多种信号频率兼容工作，不同工作 频率的天线独立地收发数据,该方案选择 TAG 接收 LF 信 号，发送 UHF 信号， BASE 发送 LF 信号，接收 UHF 信号。 由于 LF 识别距离较短，车主只有走到距车门很近的地方 TAG 才能接收到 BASE 发来的唤醒信号并工作，很好的保 证了汽车门禁的安全性。
睡眠
否 是否有 唤醒信号
是
唤醒BASE进入工作状态
BASE向TAG发送低频唤醒信号
否 钥匙是否 在识别范围内
是
TAG向BASE发送控制信息
TAG的ID号 否 是否正确
是
向门模块发送确认信息
门模块指示电机动作
结束
图 7 无钥匙进入功能程序流程图
由于 TAG 和 BASE 通过高频和低频相结合的方式进行 验证，致使双方通信的距离特别短（1m 以内），通信时间又 短，这样就会有效防止了被其它接收机截获得可能性，大大
提高了防盗性能和防抢性能。 4.2 钥匙开闭锁控制
图 8 给出了 TAG 上 RKE 功能的流程图。RKE 功能中 BASE 不会主动去寻找 TAG，只有当按动 TAG 上的开锁或 者解锁按键时，BASE 才会根据命令做出响应。
开始
否 是否有 按键按下 是
接收来自TAG的命令信号
否 TAG的ID号 是2Leabharlann 系统总体方案A DB
C
2.1 PKE 系统的原理 对一辆轿车而言，PKE 系统由一个 TAG 和 BASE 组成。
下图 4 显示了 PKE 系统的组成。BASE 安装在汽车的内室 中，一方面通过放置在车内的低频天线发送 LF 信号搜索并 唤醒 TAG，另一方面接收来自 TAG 的高频控制数据，并进 一步判断控制数据中该 TAG 的 ID 号是否正确，如果发现异 常，则及时进行报警；如果一切正常，BASE 向车门控制模 块发送确认信息，门模块操作车门的开闭锁。
方案一： 见图 1，TAG 与 BASE 之间完全通过低频 LF 通信，这 种射频识别方案可设计为无源式。电路实现较为简单，TAG 不需电源供电，节省成本，但其识别距离较近，工作方式比 较简单，适用于对数据处理能力要求并不太高的系统识别。 PKE 系统是一个安全性非常高的系统，此方案很难满足用 户对方便性上的高要求。
4 系统的软件设计
系统的软件设计主要包含无钥匙进入控制和遥控开、闭 锁的控制。 4.1 无钥匙进入控制
图 7 给出了整个无钥匙进入的工作流程。当把 TAG 带 入识别区域的时候，通过按动门把手，开门触发信号就能唤 醒 BASE。这时 BASE 就会通过低频驱动芯片驱动相应的低 频天线发射 LF 唤醒信号给 TAG。TAG 被唤醒后就会测量 其所在位置的场强并且通过高频发射相应信息给 BASE。如 果场强值大于识别区域边沿的场强门阀值，就认为 TAG 是 在有效区域内。然后，BASE 解密并验证 TAG 发射的加密 信息（包含钥匙 ID 等）。成功，则门模块执行开闭锁命令； 否则，不能够打开或者关闭车门锁。
LF
TAG
LF BASE
图1
方案二： 见图 2，TAG 与 BASE 之间完全通过高频 UHF 通信， TAG 在很远的地方就能被识别并工作，耗电量很大，成本 较高。而且由于车主距离车门还较远，可能并没有打开车门 的打算，这无形之中埋下了安全隐患。
UHF
汽车电子式防盗采用射频识别技术(RFID)，这是一种非 接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并 获取相关数据。RFID 技术采用射频传输，可以透过外部材 料读取芯片数据，实现非接触操作，应用便利，使用寿命长； 数据安全方面，通信数据使用加密算法对数据进行加密，实 现数据安全存储、安全管理和安全通信。随着电子技术的快 速发展，RFID 成本也在不断地降低，加快了智能化在汽车 领域中的推广和应用。
那么最终由主控芯片PCF7952计算所得TAG所处位置的总 场强值为： SUM = X 2 + Y 2 + Z 2 。这样就保证了只要TAG在 同一位置，无论其方向如何放置，他所处位置的场强值总是 不变的，为之后系统的工作提供了很大的便利。
（2）高频发送电路 高频 RF 通信主要负责遥控钥匙模块发射给主控制模块 的响应数据。保证通信的可靠性是系统设计的关键，系统必 须在恶劣的环境下正常工作，而且功耗、体积都必须符合条 件。发射信号的调制与功率放大，采用了飞利浦公司专门为 UHF 频段无线通信设计的发射芯片 PCF7900。
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开发应用
微型电脑应用
2010 年第 26 卷第 1 期
文章编号：1007-757X(2010)1-0034-03
基于 RFID 的 PKE 系统
兰天 ，汪宏杰，汪镭，吴启迪
摘 要：以射频识别技术为基础，研究智能化的门禁系统在汽车领域的应用，该文设计的 PKE 系统在通讯上采用高频和低
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微型电脑应用
2010 年第 26 卷第 1 期
综上所述，综合考虑系统的功能需求、设计方案以及设 计成本等各个方面，方案三综合了其他两种方案的优缺点， 既实现了低功耗，节约了成本，又能够满足安全性，是一种 理想的设计方式。
图 5 PKE 系统低频天线安装位置示意图
3 系统的硬件设计
3.1 遥控钥匙控制模块电路 BASE 由中央处理器、高频接收模块（负责接收高频数
据，并解析）、车门模块接口（该接口用于 BASE 和门模块 进行通信，控制车门开闭锁）和显示报警接口组成（实线报 警功能）。
（1）低频定位天线驱动电路 本系统采用的低频定位天线驱动是 Microchip 公司生产 的 TC4422。TC4422 是一款强电驱动芯片，通过与 LF 电路 相连，产生 LF 电磁场。 （2）高频接收电路 在高频接收电路的设计中，采用了 Freescale 公司生产 的 MC33596。MC33596 是一款高度集成的高频接收芯片。 可接收 304MHz, 315MHz, 426MHz, 434MHz, 868MHz, 和 915HMz 等频段的高频信号。 3.2 遥控钥匙模块电路 TAG 由中央控制模块、高频发射模块和三维低频接收 模块组成。其中高频发射模块实现发射远程开闭锁的命令； 3 维低频接收模块，通过测量场强确定钥匙的位置，实现汽 车无钥匙进入的功能。 （1）低频接收电路 遥控钥匙模块采用的主控芯片，是飞利浦公司生产的 PCF7952，如图 6 所示，它有 3 个低频通道，能够单独测量 某个方向的场强，然后通过内部的 RSSI（Received Signal Strength Indication）模块和 ADC（模数转换）模块的综合处 理，就会得到每个天线的场强。
通过本文的研究表明，该系统在任何情况下都能正确识 别车主，在车主接近或远离车辆时可自动识别其身份，自动 打开或关闭车锁。同时还保留 RKE 的功能，最大程度上兼 顾安全性、方便性、易操作性以及经济性。PKE 系统的广 泛普及对我国汽车行业的发展有着非常重要的意义。