пятница, 19 июня 2015 г.

Электронный замок

Сделал замочек на ардуино. Устройство состоит преимущественно из готовых компонентов. Ниже приводится описание моей конструкции (железо, код) и некоторые мысли по теме.


Видео демонстрация работы устройства


Замочек у меня управляется с пульта. У такого решения есть плюсы и минусы. Основной минус заключается в необходимости иметь при себе пульт. К плюсам можно отнести неочевидность наличия такого замка. Также заслуживает положительной оценки отсутствие свободного доступа к элементам замка.

Начну описание конструкции с пульта. На данный момент используется ИК связь. Это недорогое и простое решение. Существенным недостатком ИК связи является необходимость обеспечения видимости приемником передатчика. Иначе говоря, между приемником и передатчиком не должно быть абсолютно непроницаемых для инфракрасного света преград. Впрочем, с ролью проводника ИК излучения прекрасно справляется дверной глазок, замочная скважина, вентиляционное отверстие.

Основой пульта является Arduino Pro Mini


Эта платка имеет небольшие размеры и небольшую цену.

Кнопочка


Модуль ИК передатчика


Схема ИК передатчика


Подключение выполняется согласно изложенным ниже инструкциям.

Arduino --- IR Transmitter
GND --- GND
VCC --- VCC
TX --- DAT

Arduino --- Батарея
VCC --- +

Arduino --- Кнопка
GND --- GND

Кнопка --- Батарея
OUT --- -

В данном случае кнопочка управляет питанием ардуино. Пока кнопка не нажата, ардуино обесточена. Расход энергии минимален :)

Программный код

;---------------------------------------------
; Program      : IR transmitter
; Compiler     : Atmel Studio
; Chip type    : ATmega328P
; System Clock : 16 MHz
; Date         :
;---------------------------------------------

.include "m328Pdef.inc"

;---------------------------------------------
; Interrupt vectors

        .cseg

        .org 0x0000    ; Reset
        jmp RESET
        .org 0x0002    ; External Interrupt Request 0
        reti
        .org 0x0004    ; External Interrupt Request 1
        reti
        .org 0x0006    ; Pin Change Interrupt Request 0
        reti
        .org 0x0008    ; Pin Change Interrupt Request 1
        reti
        .org 0x000A    ; Pin Change Interrupt Request 2
        reti
        .org 0x000C    ; Watchdog Time-out Interrupt
        reti
        .org 0x000E    ; Timer/Counter 2 Compare Match A
        reti
        .org 0x0010    ; Timer/Counter 2 Compare Match B
        reti
        .org 0x0012    ; Timer/Counter 2 Overflow
        reti
        .org 0x0014    ; Timer/Counter 1 Capture Event
        reti
        .org 0x0016    ; Timer/Counter 1 Compare Match A
        reti
        .org 0x0018    ; Timer/Counter 1 Compare Match B
        reti
        .org 0x001A    ; Timer/Counter 1 Overflow
        reti
        .org 0x001C    ; Timer/Counter 0 Compare Match A
        reti
        .org 0x001E    ; Timer/Counter 0 Compare Match B
        reti
        .org 0x0020    ; Timer/Counter 0 Overflow
        reti
        .org 0x0022    ; SPI Serial Transfer Complete
        reti
        .org 0x0024    ; USART, Rx Complete
        reti
        .org 0x0026    ; USART, UDR Empty
        reti
        .org 0x0028    ; USART, Tx Complete
        reti
        .org 0x002A    ; ADC Conversion Complete
        reti
        .org 0x002C    ; EEPROM Ready
        reti
        .org 0x002E    ; Analog Comparator
        reti
        .org 0x0030    ; Two-wire Serial Interface
        reti
        .org 0x0032    ; Store Program Memory Read
        reti

        .org INT_VECTORS_SIZE

;---------------------------------------------

RESET:

;---------------------------------------------
; Steck initialization

        ldi R16, Low(RAMEND)
        out SPL, R16
        ldi R16, High(RAMEND)
        out SPH, R16

;---------------------------------------------
; USART

        ldi R16, 0
        sts UBRR0H, R16
        sts UBRR0L, R16
        sts UCSR0A, R16
        sts UCSR0B, R16
        sts UCSR0C, R16

;---------------------------------------------
; Input/Output ports

        ldi R16, 0b00000000
        out PORTB, R16

        ldi R16, 0b00000000
        out DDRB, R16

        ldi R16, 0b00000000
        out PORTC, R16

        ldi R16, 0b00000000
        out DDRC, R16

        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16

        ldi R16, 0b00000010
        out DDRD, R16

;---------------------------------------------
; Global interrupt disable

        cli

;---------------------------------------------
; main

main:

        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0

        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0

        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0

        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0
        rcall blink
        rcall delay_1800_us ; 1
        rcall blink
        rcall delay_800_us ; 0

        rcall blink

        rcall delay_50_ms

        rjmp main

;---------------------------------------------
; blink

blink:

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ldi R16, 0b00000010
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us
        ldi R16, 0b00000000
        out PORTD, R16
        rcall delay_13_us

        ret

;---------------------------------------------
; wait 13 us

delay_13_us:

       ldi R16, 0x43

l_10:

        subi R16, 1
        brcc l_10

        ret

;---------------------------------------------
; wait 800 us

delay_800_us:

        ldi R16, 0x80 ; Low byte
        ldi R17, 0x0C ; High byte

l_20:

        subi R16, 1
        sbci R17, 0
        brcc l_20

        ret

;---------------------------------------------
; wait 1800 us

delay_1800_us:

        ldi R16, 0x20 ; Low byte
        ldi R17, 0x1C ; High byte

l_30:

        subi R16, 1
        sbci R17, 0
        brcc l_30

        ret

;---------------------------------------------
; wait 50 ms

delay_50_ms:

        ldi R16, 0x00 ; Low byte
        ldi R17, 0x71 ; Middle byte
        ldi R18, 0x02 ; High byte

l_40:

        subi R16, 1
        sbci R17, 0
        sbci R18, 0
        brcc l_40

       ret

;---------------------------------------------

Как превратить этот код в прошивку я уже писал здесь Загрузить прошивку в ардуино можно руководствуясь моими рекомендациями изложенными здесь

Скажу пару слов о работе программы. При подаче питания на ардуино, программа дрыгает ножкой PD1. К этой ножке подключен ИК светодиод. Таким образом пульт передает некий код. В приведенной программе код состоит из четырех байт. Это 0b10101010 10101010 10101010 10101010 Используемый протокол сильно напоминает описанный мною ранее

Пульт собранный из модулей ардуино прекрасно подходит для разработки и тестирования устройства. Однако, пользоваться им постоянно нелегко. Поэтому был сделан более компактный и мобильный вариант.


Корпусом послужила пластиковая коробочка от tic tac. Когда у меня появится 3D принтер, станет лучше. А пока :)

Схема


В этом устройстве используется трехмиллиметровый инфракрасный светодиод L-34F3C. Резистор на 200 Ом и 0.25 Вт. Кнопочка. Самая маленькая с нормально разомкнутыми контактами. Питают пульт три последовательно соединенные батарейки 357A в 1.5 вольта.

Теперь расскажу об устройстве самого замка. Мозгом конструкции служит Arduino Nano


Эта платка не сильно дороже Arduino Pro Mini, но у неё есть USB-UART переходник и USB разъем.

Для приема сигналов пульта используется модуль ардуино IR Receiver


Схема ИК приемника


Управление защелкой осуществляется через модуль реле


Сами защелки бывают разные




Отличаются не только конструкцией, но и рабочим напряжением и током. Я использовал защелку на 12 вольт и 0.6 ампера.

Сразу скажу, защелки эти от честных людей. В буржуйских фильмах часто открывают двери банковской картой. Я подозреваю, что на тех дверях стоят именно такие защелки :)

Для подключения к 12 вольтовому блоку питания удобно использовать 5.5x2.1mm DC Female Plug Jack Power Supply Adapter Connector


Подключается все согласно приведенным ниже инструкциям.

Arduino Nano --- IR Receiver
GND --- GND
VCC --- VCC
D2 --- OUT

Arduino Nano --- Relay Module
GND --- GND
VCC --- VCC
D8 --- IN

Solenoid Lock --- Relay Module
синий провод --- NO (нормально разомкнут)

Solenoid Lock --- 12 V блок питания
красный провод --- +

12 V блок питания --- Relay Module
- --- COM (общий контакт)

Arduino Nano питается от 5 вольтового блока питания через USB разъем. Но можно питать ардуино и от 12 вольтового блока питания через встроенный линейный стабилизатор.

Программа. Это модифицированный скетч из ранее опубликованной статьи

////////////////////////
//
// Arduino Nano
//
////////////////////////
//
// Sketch: IR receiver
//

const unsigned char RELAY = 8;

const unsigned long int KEY_CODE = 0xAAAAAAAAL;

volatile unsigned char count = 0;
volatile unsigned long int temp = 0;
volatile unsigned long int data = 0;
volatile unsigned long int time1 = 0;
volatile unsigned long int time2 = 0;
volatile unsigned long int period = 0;

void setup()
{
    pinMode(RELAY, OUTPUT);
    digitalWrite(RELAY, HIGH);

    attachInterrupt(0, tsop, FALLING);
}

void loop()
{
    if ( data == KEY_CODE ) digitalWrite(RELAY, LOW);
    else digitalWrite(RELAY, HIGH);
    data = 0;
    delay(1000);
}

void tsop()
{
    time1 = micros();
    period = time1 - time2;
    time2 = time1;

    temp <<= 1;
    count += 1;

    if ( period > 1500 ) temp |= 1;
    if ( period > 15000 ) count = 0;
    if ( count == 32 ) data = temp;
}

//
// End
//
////////////////////////

В заключении скажу несколько слов о планируемых улучшениях конструкции. Во-первых, задвижку неплохо бы заменить на нечто более надежное. Во-вторых, для повышения защищенности устройства необходимо внести существенные изменения в алгоритм обмена данными между пультом и замком. В-третьих, не лишним будет перейти на радиоволны.