(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

門鎖是人們生活中不可缺少的工具，是家居與財(cái)產(chǎn)的忠實(shí)衛(wèi)士。目前智能門鎖按照識(shí)別方式大致分為磁卡識(shí)別、IC 卡識(shí)別、生物識(shí)別3類。這些鎖具存在以下幾個(gè)問(wèn)題。首先，智能門鎖采用電池供電，需定期更換電池;其次，鎖具無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。采用無(wú)線充電技術(shù)可以解決電池定期更換的問(wèn)題。目前無(wú)線供電的傳輸方式主要有電磁耦合，電磁耦合諧振，微波與激光傳輸[1]。電磁耦合方式的傳輸距離只有毫米級(jí)，應(yīng)用場(chǎng)景需要緊貼合，對(duì)門鎖的安裝要求太高。微波與激光的傳輸功率過(guò)小而且價(jià)格相對(duì)較高，不適合在普通的門鎖中使用。電磁耦合諧振的傳輸距離可以達(dá)到米級(jí)，而且傳輸功率可以達(dá)幾十瓦[2]，這樣設(shè)計(jì)安裝時(shí)不會(huì)要求太高而且傳輸?shù)墓β首銐颍祥T鎖無(wú)線電能傳輸?shù)囊?。本文采用物?lián)網(wǎng)技術(shù)和電磁耦合諧振技術(shù)，提出了無(wú)線充電遠(yuǎn)程控制智能門鎖[3]。首先通過(guò)無(wú)線電能傳輸技術(shù)給內(nèi)置鋰電池供電，從而解決了更換電池的煩惱。其次通過(guò)WiFi與射頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能終端(手機(jī)等)對(duì)門鎖的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 智能門鎖系統(tǒng)

智能門鎖系統(tǒng)按功能可分為無(wú)線控制部分、無(wú)線供電部分和鎖具部分。按具體物理設(shè)備可分為終端設(shè)備、集中控制器、門鎖、無(wú)線充電的發(fā)射模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，集中控制器包含WiFi 模塊和射頻模塊，門鎖包含無(wú)線充電的接收電路、射頻電路與鎖具。其中鎖具由他人設(shè)計(jì)。

無(wú)線控制功能由終端設(shè)備、集中控制器與門鎖中的射頻模塊實(shí)現(xiàn)。當(dāng)終端設(shè)備發(fā)出命令后，通過(guò)第一層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給集中控制器的WiFi 模塊，然后通過(guò)其內(nèi)部射頻模塊發(fā)送給門鎖中的射頻模塊，門鎖根據(jù)命令完成相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)門鎖處于非正常狀態(tài)時(shí)主動(dòng)發(fā)送警告信息。警告信息原路返回給終端設(shè)備從而通知用戶，讓用戶依此做出相應(yīng)處理。

無(wú)線充電功能由無(wú)線充電發(fā)射模塊與門鎖中無(wú)線充電接收模塊組成。無(wú)線充電發(fā)射部分通過(guò)電磁耦合諧振與門鎖中的接收部分形成強(qiáng)電磁耦合，完成能量的傳輸。接收部分把接收到的電能給內(nèi)置鋰電池充電。

1.1 無(wú)線控制

無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)中，第一層是終端設(shè)備與集中控制器通信;第二層是集中控制器與底層設(shè)備通信[4]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。第一層中有兩條通信途徑，分別為互聯(lián)網(wǎng)通信和WiFi 通信。第二層只有一條通信路徑即射頻網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 智能門鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

互聯(lián)網(wǎng)通信就是終端設(shè)備通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò)直接與集中控制器通信。當(dāng)集中控制器沒(méi)有連接到外部路由器時(shí)，它本身會(huì)鋪設(shè)一個(gè)WiFi 網(wǎng)絡(luò)，并提供一個(gè)固定的socket 端口號(hào)供外部設(shè)備連接。當(dāng)外部設(shè)備連接后即可控制門鎖。這個(gè)途徑并不常用，因?yàn)閃iFi 通信的距離有限，在此途徑中并未實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程控制，是在特殊情況下的應(yīng)急處理。

WiFi 通信就是集中控制器通過(guò)其內(nèi)部的WiFi 模塊連接到外部路由器。只要路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，集中控制器就可借此連接到遠(yuǎn)端的服務(wù)器。這時(shí)終端設(shè)備的通信對(duì)象也是服務(wù)器。終端設(shè)備發(fā)送控制命令到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)命令地址將其轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的集中控制器。集中控制器將接收到的命令簡(jiǎn)單處理后通過(guò)內(nèi)部的射頻模塊發(fā)送給底層的門鎖。此途徑是常用的途徑。由于目前大部分手機(jī)都可以上網(wǎng)，因此可以隨時(shí)隨地發(fā)送命令到服務(wù)器，所以在這種模式下，真正實(shí)現(xiàn)了門鎖的遠(yuǎn)程控制。

射頻網(wǎng)絡(luò)通信就是集中控制器與底層門鎖的通信，通信載體是433 MHz 射頻網(wǎng)絡(luò)。集中控制器把從第一層接收來(lái)的命令處理后通過(guò)射頻模塊發(fā)送給門鎖。門鎖根據(jù)命令做出相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)門鎖處于非正常狀態(tài)時(shí)(例如意外開啟)也會(huì)通過(guò)自身射頻模塊發(fā)送警告信息給集中控制器，集中控制器把此信息原路返回給終端設(shè)備，以此來(lái)提醒用戶。

1.2 無(wú)線充電

根據(jù)麥克斯韋磁場(chǎng)理論:變化的磁場(chǎng)與電場(chǎng)可以相互產(chǎn)生。任何電磁場(chǎng)都可以分為以感應(yīng)為主的近場(chǎng)區(qū)和以輻射為主的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度要比遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)大的多。而且近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，電磁場(chǎng)的能量在輻射源內(nèi)部和它周圍空間來(lái)回流動(dòng)而不向外發(fā)射[5]。電磁耦合諧振正是利用近場(chǎng)區(qū)作為能量的傳輸媒介。

圖3 無(wú)線充電結(jié)構(gòu)圖

電磁耦合諧振的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。L1，C1與L2，C2是固有諧振頻率都為fs的振蕩器。信號(hào)源提供驅(qū)動(dòng)頻率為fk。當(dāng)fk與fs相同時(shí)，L1，C1組成的振蕩電路達(dá)到自諧振狀態(tài)，向外輻射頻率為fs的交變電磁場(chǎng)，而此時(shí)電磁場(chǎng)振蕩強(qiáng)度最大。接收端是由L2，C2組成的振蕩電路，它的自諧振頻率也是fs。把接收端放入發(fā)射端周圍的交變磁場(chǎng)中，接收端就會(huì)產(chǎn)生諧振。此時(shí)發(fā)射端振蕩電路與接收端振蕩電路形成強(qiáng)磁耦合，從而實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸。接收端通過(guò)高頻整流電路把接收到的能量轉(zhuǎn)為直流輸出，并存儲(chǔ)在鋰電池中。

2 系統(tǒng)仿真

在無(wú)線能量傳輸中，距離對(duì)傳輸效率有重要影響。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，發(fā)射端輸入電壓為12 V，接收電路輸出電壓為5 V，接收電路中接1 kΩ 電阻作為負(fù)載。不同距離下傳輸效率如表1所示。

從表1可以看出，2 cm的距離是帶負(fù)載能力的分界點(diǎn)。當(dāng)距離大于2 cm以后，隨著距離增大帶負(fù)載能力減小。當(dāng)距離增加到3.5 cm時(shí)已經(jīng)沒(méi)有輸出。

遠(yuǎn)程控制仿真中，終端設(shè)備是運(yùn)行iOS7系統(tǒng)的手機(jī)，其中控制界面如圖4所示。正常狀態(tài)下，設(shè)備狀態(tài)為在網(wǎng)，當(dāng)不在網(wǎng)時(shí)所有操作都不能執(zhí)行。在網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)擊開或關(guān)時(shí)，門鎖會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)門鎖處于非正常狀態(tài)時(shí)，會(huì)收到報(bào)警信息。

表1 距離對(duì)傳輸效率的影響

圖4 手機(jī)端控制界面

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然遠(yuǎn)程控制在智能家居中較為常見，但是射頻網(wǎng)絡(luò)卻較少應(yīng)用在智能家居中。由于射頻通信的穿透性強(qiáng)，因此它更適合應(yīng)用在大型建筑中。本文把智能家居中的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)移植到門鎖上，通過(guò)手機(jī)等設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)門鎖的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在家庭中的單個(gè)防盜門，而且還可以把多個(gè)門鎖組網(wǎng)應(yīng)用到企業(yè)或單位中的倉(cāng)庫(kù)、辦公室等其他重要地方。同時(shí)應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程充電，避免了更換電池的麻煩。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方案的可行性，滿足智能門鎖的功能。

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