устройство для бесконтактной приемопередачи энергии и информации в системах, требующих идентификации пользователя

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ПРИЕМОПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ, ТРЕБУЮЩИХ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ, состоящее из электронных ключа и замка, причем электронный ключ содержит катушку индуктивности, подключенную к блоку связи индуктивного канала, блок связи оптического канала, блок микропрограммного управления, причем группа выводов блока связи индуктивного канала соединена с первой группой выводов блока микропрограммного управления, вторая группа выводов которого соединена с группой выводов блока связи оптического канала, а электронный замок содержит источник питания, катушку индуктивности, подключенную к блоку связи индуктивного канала, блок связи оптического канала, блок микропрограммного управления, причем группа выводов блока связи индуктивного канала соединена с первой группой выводов блока микропрограммного управления, вторая группа выводов которого соединена с группой выводов блока связи оптического канала, третий выход блока микропрограммного управления является первым выходом электронного замка, четвертая группа выводов блока микропрограммного управления является вторым выходом электронного замка, причем катушки индуктивности ключа и замка, а также блоки связи оптического канала ключа и замка установлены с возможностью взаимодействия между собой при заданном расположении ключа и замка, отличающееся тем, что в электронный ключ дополнительно введены емкость, накопитель энергии, блок контроля энергии, коммутатор и магнит, причем емкость подключена параллельно катушке индуктивности к первому и второму входам накопителя энергии, к первому и второму выводам блока связи индуктивного канала, выход накопителя энергии подключен к входу блока контроля энергии и входу коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока контроля энергии, выход коммутатора подключен к входам питания блока связи индуктивного канала, блока связи оптического канала, блока микропрограммного управления, третья группа выводов которого является дополнительными управляющими входами электронного ключа, а в электронный замок дополнительно введены емкость и магнитоуправляемый контакт, причем емкость параллельно подключена к катушке индуктивности и первому и второму выводам блока связи индуктивного канала, выход источника питания подключен к первому выводу магнитоуправляемого контакта, второй вывод которого подключен к входам питания блока микропрограммного управления, блока связи индуктивного канала, блока связи оптического канала, причем магнит и магнитоуправляемый контакт установлены с возможностью взаимодействия при заданном расположении ключа и замка.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к охранным системам, может быть применено в системах, требующих идентификации пользователя, и касается электронных ключей и замков с бесконтактным способом передачи энергии и информации между ними.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является "Устройство для бесконтактного соединения управляющего и силового токов между электроникой при замыкающем (запорном) цилиндре и электроникой в ключе в электронномеханическом запорном устройстве" по патентной заявке DE N 3501482, кл. Е 05 В 47/00, Е 05 В 49/00, 1986.

Известное устройство содержит электронные ключ и замок, между которыми при заданном взаиморасположении возникают индуктивная и оптическая связи. Электронный ключ содержит катушку индуктивности, блок связи индуктивного канала, блок связи оптического канала, блок микропрограммного управления. Катушка индуктивности подключена к блоку связи индуктивного канала. Блоки связи индуктивного и оптического каналов ключа связаны с его блоком микропрограммного управления. Питание ключа происходит за счет энергии, передаваемой индуктивным способом. Электронный замок содержит источник питания, катушку индуктивности, блок связи индуктивного канала, блок связи оптического канала, блок микропрограммного управления. Катушка индуктивности подключена к блоку связи индуктивного канала. Блоки связи индуктивного и оптического каналов ключа связаны с блоком микропрограммного управления. Блок микропрограммного управления имеет выход для подключения внешнего исполнительного устройства и канал связи с внешним управляющим устройством.

К недостаткам известного устройства относится тот факт, что в ключе и замке используются ферритовые сердечники для индуктивной передачи энергии, причем сердечники выступают наружу и могут быть легко повреждены внешним механическим воздействием, что приводит к снижению надежности этого устройства. Такая конструкция обусловлена необходимостью подвода к ключу достаточно большой мощности, необходимой для питания его электронной схемы, а это не допускает наличия больших зазоров между ферритовыми сердечниками ключа и замка в момент их взаимодействия.

В данной конструкции ключа работа такого устройства может быть основана лишь на определении изменения параметров в индуктивном или оптическом каналах. Это технически невозможно без обеспечения постоянного (или периодически появляющегося) питания хотя бы части схемы. Таким образом, замок известного устройства постоянно потребляет энергию источника питания, что ограничивает возможность применения устройства в системах для охраны передвижных объектов с ограниченным ресурсом энергии, т.е. данное устройство не обладает такими качествами, как экономичность и надежность, что сужает область его применения.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение состоит в том, чтобы устройство обладало совокупностью таких технических характеристик, как высокая степень секретности, надежность, экономичность в части энергопотребления, что позволило бы использовать его в охранных системах, предназначенных для охраны широкого круга объектов, как стационарных, так и передвижных.

Техническим результатом является повышенная надежность системы ключ-замок, что достигается благодаря существенному увеличению максимального расстояния между ними во время взаимодействия (до 10-40 м) и возможностью работы ключа через диэлектрическую перегородку, например стекло автомобиля или специальную крышку, закрывающую замок от внешних повреждений, прозрачную лишь в той части спектра, которая используется в оптическом канале связи, например, в инфракрасной. При этом ключ и замок могут быть защищены диэлектрическими корпусами и не иметь выступающих деталей, что повышает степень его защиты от внешних механических повреждений. К техническим результатам можно отнести и повышенную экономичность предлагаемого устройства. Это достигается введением дополнительного канала связи, обеспечивающего подачу питающего напряжения на электронные блоки замка, а затем и ключа только при поднесении ключа к замку. Введение этого дополнительного канала связи, при отсутствии или несоответствующем исполнении которого ключ не будет опознан, увеличивает по существу и степень секретности устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 пример конкретной реализации блока связи индуктивного канала ключа; на фиг.3 пример конкретной реализации блока связи индуктивного канала замка; на фиг.4 алгоритм работы конкретно реализованного блока микропрограммного управления ключа; на фиг. 5 алгоритм работы конкретно реализованного блока микропрограммного управления замка.

Изобретение может быть использовано в охранных системах широкого назначения.

Предлагаемое устройство для бесконтактной приемо-передачи энергии и информации в системах, требующих идентификации пользователя содержит электронные ключи 1 и замок 2. Электронный ключ 1 содержит катушку 3 индуктивности, блок 7 связи индуктивного канала, блок 10 связи оптического канала, блок 9 микропрограммного управления, емкость 4, накопитель 5 энергии, блок 6 контроля энергии, коммутатор 8, магнит 11. Катушка 3 индуктивности подключена параллельно к емкости 4, к первому и второму входам накопителя 5 энергии и к первому и второму выводам блока 7 связи индуктивного канала. Выход накопителя 5 энергии соединен со входом блока 6 контроля энергии и входом коммутатора 8, выход которого подключен ко входам питания блока 7 связи индуктивного канала, блока 10 связи оптического канала, блока 9 микропрограммного управления. Управляющий вход коммутатора 8 соединен с выходом блока 6 контроля энергии. Группа выводов блока 7 связи индуктивного канала соединена с первой группой выводов блока 9 микропрограммного управления, вторая группа выводов которого соединена с группой выводов блока 10 оптического канала. Третья группа выводов блока 9 микропрограммного управления является дополнительными управляющими входами электронного ключа 1.

Электронный замок 2 содержит источник 12 питания, магнитоуправляемый контакт 13, катушку 14 индуктивности, емкость 15, блок 16 связи индуктивного канала, блок 17 микропрограммного управления, блок 18 связи оптического канала. Выход источника 12 питания подключен к первому выводу магнитоуправляемого контакта 13, второй вывод которого подключен ко входам питания: блока 16 связи индуктивного канала, блока 17 микропрограммного управления, блока 18 связи оптического канала. Катушка 14 индуктивности подключена параллельно к емкости 15 и к первому и второму выводам блока 16 связи индуктивного канала, другая группа выводов которого соединена с первой группой выводов блока 17 микропрограммного управления. Вторая группа выводов блока 17 соединена с группой выводов блока 18 связи оптического канала. Третий выход блока 17 микропрограммного управления является выходом электронного замка 2, а четвертая группа выводов блока 17 микропрограммного управления соединена с каналом связи с внешним устройством управления. При заданном взаиморасположении электронных ключа 1 и замка 2 становятся возможными бесконтактная электромагнитная связь между катушками 3 и 14 индуктивности, оптическая связь между блоками 10 и 18 связи оптического канала, а также магнитная связь между магнитом 11 и магнитоуправляемым контактом 13.

Устройство работает следующим образом. При поднесении ключа 1 к замку 2, магнитное поле магнита 11, установленного в ключе, включает магнитоуправляемый контакт 13, установленный в замке, и напряжение питания от источника 12 питания замка подается на все блоки замка. Блок 17 микропрограммного управления (БМУ) включает силовой генератор 24, расположенный в блоке 16 связи индуктивного канала, и ожидает приема кодовой посылки от ключа. Блок 16 связи индуктивного канала с помощью колебательного контура, образованного катушкой индуктивности 14 и емкостью 15, обеспечивает создание электромагнитного поля нужной интенсивности и частоты в месте расположения ключа 1. За счет электромагнитной связи между катушкой 14 индуктивности замка и катушкой 3 индуктивности ключа в колебательном контуре ключа, образованном катушкой индуктивности 3 и емкостью 4, наводится ЭДС индукции. Это напряжение поступает на накопитель 5 энергии. При размещении ключа в заданном положении относительно замка возникает также связь между блоками 10 и 18 связи оптического канала ключа и замка соответственно.

Накопитель 5 энергии, расположенной в ключе, накапливает энергию, поступающую от колебательного контура 3, 4. Блок 6 контроля энергии следит за количеством накопленной энергии, и когда оно достигнет заданной величины, с помощью коммутатора 8 подключает выход накопителя 5 энергии к входам питания блоков 7, 9 и 10 ключа.

С этого момента времени начинается обмен информацией между ключом и замком по оптическому и индуктивному каналам связи с помощью соответствующих блоков 10 и 7 связи ключа и блоков 18 и 16 замка. Управление обменом информацией по этим каналам производится блоком 9 микропрограммного управления ключа и блоком 17 замка. Взаимодействие БМУ 9 и 17 с соответствующими блоками связи индуктивного и оптического канала осуществляется по линиям связи, соединяющим соответствующие блоки с группами выводов 1 и 2 соответствующих БМУ. Максимальная длительность обмена определяется запасом энергии накопителя энергии.

Если ключ и замок опознали друг друга, БМУ 17 устанавливает соответствующий сигнал на третьем выходе, который используется для управления внешним исполнительным устройством замка (например для открывания двери), передав перед этим закодированную информацию о коде приложенного к замку ключа во внешнее устройство управления (ЭВМ), если таковое необходимо. Внешнее устройство управления, связанное с БМУ 17 через канал связи, подключенный к четвертой группе выводов БМУ, может регистрировать номер ключа и время его предъявления и разрешить или запретить появление сигнала на третьем выходе БМУ 17. Коды ключей, которые имеют право открывать данный замок могут быть либо записаны в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) БМУ 17 замка, либо переданы в него от внешнего устройства управления.

На этом обмен информацией между ключом и замком может быть закончен. Однако, если необходимо иметь повышенный уровень секретности и выделенные группы ключей (привилегированные), которые позволяют их пользователям изменять режим работы системы охраны, то прежде чем дать сигнал об опознании "своего" ключа, для ключей с выделенными кодами предусматривается дополнительный обмен информацией между ключом 1 и замком 2. Замок по одному из каналов связи передает в ключ информацию о коде замка, который записан в ПЗУ БМУ ключа. Если ключ опознает этот код как разрешенный, то он по одному из каналов связи передает в замок вторую информационную посылку, в которой сообщает свой дополнительный идентификатор и передает состояние органов дополнительного управления подключенных к третьей группе выводов БМУ 9 ключа 1. Ключи с встроенными органами дополнительного управления имеют только привилегированные пользователи охранной системы, такие, как начальник охраны и т. д. Использование дополнительных органов управления воспринимается БМУ 17 замка 2 как команда: например "поставить на охрану", "снять с охраны", перейти в режим "подтверждение права доступа", "заблокировать работу всех остальных ключей" и т.д. Поскольку дополнительный обмен информацией в обычном случае не производится, эта информация значительно сложнее "подделывается". При несовпадении дополнительной информации, БМУ замка может послать сигнал тревоги в устройство управления и заблокировать открывание двери.

Работа устройства прекращается в момент удаления ключа. При этом размыкается магнитоуправляемый контакт 13 и снимается напряжение питания с блоков ключа. Если это произойдет до того, как БМУ 17 выполнит все необходимые операции, то сигнал на третьем выходе БМУ 17 не появится и охраняемый объект останется заблокированным (например дверь не откроется).

Блок 6 контроля энергии может быть выполнен на основе стандартного триггера Шмидта, включенного таким образом, что он срабатывает при достижении входным напряжением, которое одновременно является и напряжением питания.

Коммутатор 8 может быть выполнен на транзисторе, коллектор которого подключен к выходу накопителя 5 энергии, база к выходу блока 6 контроля энергии, а эмиттер к входам питания блоков 7, 9 и 10 ключа.

Блок 7 связи индуктивного канала может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 2, где пороговый элемент 20, выполненный, например, на основе компаратора, имеет порог срабатывания, равный половине напряжения питания и служит для определения момента появления нулевой фазы сигнала от силового генератора 24 замка. Выход порогового элемента 20, положительный перепад напряжения на котором сигнализирует о нулевой фазе входного сигнала от силового генератора 24, поступает на первую группу выводов БМУ 9 ключа. Этот сигнал используется также при передаче информации по индуктивному каналу связи от замка к ключу путем частотной или фазовой модуляции сигнала силового генератора 24.

Для модуляции добротности колебательного контура 3-4 ключа может быть использован фоторезисторный оптрон, управляемый например транзистором 22. Для ограничения токов через базу транзистора и светодиод оптрона, в схеме на фиг.2 использованы резистор 23 и резистор 21.

Блоки 10 и 18 связи оптического канала связи могут быть реализованы по стандартным схемам, используемым при организации опто-волоконных линий связи. В состав каждого из них входит приемник и передатчик оптических сигналов.

В качестве магнита 11 может быть использован магнит из бариевого феррита.

Блок 16 связи индуктивного канала может быть выполнен например по функциональной схеме, приведенной на фиг. 3. Силовой генератор 24 выполнен по схеме, содержащей последовательно соединенный задающий генератор и усилитель мощности. Частоту генератора определяет колебательный контур, находящийся в нем. Параллельно емкости колебательного контура, может быть подключена дополнительная емкость 30 с помощью коммутатора 29, управляемого логическим сигналом, поступающим от БМУ 17 замка. При подключении дополнительной емкости меняется частота генерации задающего генератора и соответственно частота "силового" сигнала. Изменение этой частоты и служит для передачи информации из замка в ключ. Пороговый элемент 25 может быть выполнен на основе компаратора. Он имеет порог срабатывания, равный половине напряжения питания, и положительный перепад напряжения на его выходе возникает в момент, когда фаза напряжения с выхода силового генератора 24 равна нулю. Его выход подключен к БМУ 17 и служит для синхронизации приема и передачи информации по оптическому и индуктивному каналам связи.

На резисторе 28 падает напряжение, обратно пропорциональное добротности колебательного контура ключа (элементы 3 и 4 на фиг.1).

Блок 27 содержит выпрямитель с фильтром нижних частот.

Блок 26 содержит последовательно соединенные усилитель переменного напряжения и пороговый элемент с порогом срабатывания, равным половине напряжения питания. Его выход подключен к БМУ 17.

Блоки микропрограммного управления 9 и 17 могут быть выполнены по схемам, содержащим постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), логические элементы и тактовый генератор. Алгоритм работы конкретно реализованного БМУ 9 приведен на фиг.4, а алгоритм работы конкретно реализованного БМУ 17 на фиг.5.