丁凡 姚春良 姜杰
摘? ?要: 傳統(tǒng)電子鎖電磁閥作為受力元件時功耗過高,且開鎖瞬間電流超出窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)模組的許可電流,易導致元件損壞。結(jié)合NB-IoT模組承載性能,為光交箱設計一種采用低功耗雙滑塊聯(lián)動機構(gòu)的智能鎖。在聯(lián)動機構(gòu)中,電磁閥不再作為受力元件,而是作為觸發(fā)元件,開鎖時瞬間通電,開鎖后瞬間斷電,實現(xiàn)微電流開鎖;采用雙滑塊設計,嚴格控制行程誤差和復位過程,實現(xiàn)短時觸發(fā)。經(jīng)評測,在NB-IoT模組供電電壓3.3~5 V范圍內(nèi),電磁閥通電時間由2 s降低至0.40 s以內(nèi),開鎖峰值電流由300 mA降低至120 mA以內(nèi),提升了智能鎖的使用壽命和可靠性。
關鍵詞: 智能鎖;聯(lián)動機構(gòu);光交箱;短時觸發(fā);電磁閥;低功耗
中圖分類號:TN925? ? 文獻標識碼:A? ? 文章編號:2095-8412 (2020) 05-028-05
工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.006
引言
窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的重要分支,由傳感器、網(wǎng)絡通信及云計算三大模塊組成,具有承載容量大、覆蓋領域廣、低成本、低功耗等特點[1-2]。目前,NB-IoT技術(shù)在接入規(guī)模、傳輸距離、成本、功耗等方面明顯優(yōu)于3G/4G、NFC、藍牙等技術(shù),可以實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián),在智能控制、遠程監(jiān)控等方面具有更加廣闊的應用前景。
目前,光纜交接箱(以下簡稱“光交箱”)的應用規(guī)模成倍增長,但鑒于光交箱所處的戶外環(huán)境和具有的無源特性,絕大多數(shù)光交箱鎖控系統(tǒng)還在使用人工盯防、手工統(tǒng)計等模式,導致光交箱鎖被撬、箱體被損壞或纖芯被非法占用后無法及時得以發(fā)現(xiàn)和修復,嚴重影響各類承載業(yè)務安全。
NB-IoT控制盒安裝在光交箱內(nèi),通過有線連接控制門鎖和門磁開關,NB-IoT控制盒內(nèi)的傳感器可以實時監(jiān)測光交箱內(nèi)部的溫度和濕度,門體的開合狀態(tài)通過門磁開關來檢測。NB-IoT技術(shù)的發(fā)展為光交箱鎖控系統(tǒng)的智能化管理提供了更好的解決途徑。本文首先回顧以往文獻對鎖控系統(tǒng)的設計方案,分析各方案在光交箱鎖控系統(tǒng)中應用的局限性;其次以電磁閥功耗為突破口,提出一種智能鎖低功耗雙滑塊聯(lián)動設計。經(jīng)評測,該設計實現(xiàn)了短時觸發(fā),并進一步降低了系統(tǒng)功耗。
1? 文獻回顧與問題分析
1.1? 文獻回顧
文獻[3]提出了一種光交箱智能管理系統(tǒng),在原有光交箱基礎上集成了門磁/行程開關、智能鎖、溫濕度傳感器、水浸傳感器等前端感知設備,利用NB-IoT模組將光交箱的各項信息實時上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(監(jiān)控中心),監(jiān)控中心通過發(fā)送短信或者給相關移動終端APP發(fā)送指示信息,告知光交箱巡視人員及時對光交箱實施實時全面的監(jiān)控管理。
使終端在大部分時間處于休眠模式,可極大程度上降低功耗。文獻[3]設計了3種低功耗模式:睡眠模式、停止模式和待機模式。系統(tǒng)大部分時間處于停止模式,極大地降低了NB-IoT模組及外圍電路的功耗。文獻[4-5]從電源管理設計、低功耗軟件設計、啟動電路設計及單片機軟件設計等方面,采用最優(yōu)設計理念來降低鎖具的功耗。電源模塊采用獨立降壓方式,針對各元件的不同電壓需求,設計了合理的拓撲結(jié)構(gòu)。智能鎖大部分時間處于鎖閉狀態(tài),休眠期間的功耗占整體電量消耗的比例較大,所以通過軟件設計降低待機功耗,以延長電池使用壽命。單片機ATmega8在開始階段進行初始化處理,之后關閉非接觸式模塊進入省電模式,節(jié)省電量。
智能鎖大多采用電磁閥或電機作為執(zhí)行元件。文獻[6]介紹了一種觸發(fā)式電磁閥開鎖機構(gòu),用磁卡觸發(fā)干簧管,從而控制電磁閥的通斷,較好地實現(xiàn)了低功耗開啟鎖具的功能。若采用電機作為執(zhí)行元件,則電機的過位堵轉(zhuǎn)會造成開鎖過程中電流瞬間增大,使得電機發(fā)熱,功耗增加。文獻[7]設計的一種離合裝置巧妙地避開了電機堵轉(zhuǎn)問題,其使得電機空轉(zhuǎn)、沒有負載時不會產(chǎn)生瞬時尖峰電流,實現(xiàn)了降低鎖具功耗的目的。但采用電磁閥作為執(zhí)行元件也存在一定的問題,這是因為電磁閥的閥芯通常作為受力元件,開鎖過程中,電磁閥始終帶電,必須采用外力輔助閥芯卸載,才能完成鎖具開啟。
戶外機柜的電子鎖可接入物聯(lián)網(wǎng)管理平臺,遠程監(jiān)控鎖具的實時狀態(tài)和開鎖信息。移動端采用了FPGA技術(shù)[6],通過藍牙連接NB-IoT模組,不僅可以對鎖具執(zhí)行相關操作,也可以對電子鑰匙進行授權(quán)。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺具有實用性、開放性、安全性、高效性和易維護性等特點,動態(tài)地適應行業(yè)需求的變化,便于系統(tǒng)維護和二次開發(fā)。軟件系統(tǒng)功能一般包括:電子地圖、系統(tǒng)管理、報警管理、接入平臺移動APP等。
1.2? 問題分析
目前,光交箱在戶外工作環(huán)境下存在以下問題:
(1)光交箱為無源設備,無法受到有效監(jiān)控;
(2)光交箱接入規(guī)模大且資源開放,內(nèi)外部施工維護巡檢頻繁,涉及單位和人員眾多且流動性大,無法使作業(yè)過程實現(xiàn)全程監(jiān)管和完全覆蓋;
(3)光交箱分布廣泛,對于大量開鎖鑰匙,人工管理困難,不能及時獲知光交箱鎖狀態(tài);
(4)由于監(jiān)管困難,大多數(shù)光交箱的門鎖遭到破壞,或門鎖常年處于開啟狀態(tài)而無人問津,造成光網(wǎng)絡的傳輸故障。
光交箱鎖控系統(tǒng)(如圖1)的NB-IoT模組內(nèi)置干電池給智能鎖供電,因電池電量有限以及更換電池的人工維護成本較高,對用電執(zhí)行部件的功耗提出了很高的要求。作為控制末端的智能鎖,要滿足低功耗、低成本的要求,因此迫切需要開發(fā)一種低功耗的智能鎖,其采用電磁閥作為執(zhí)行元件,不需要位置檢測判斷,控制簡單、節(jié)省成本,而且設計的鎖閉機構(gòu)需能夠?qū)崿F(xiàn)短時觸發(fā)、瞬間開鎖的功能。
2 智能鎖整體功能設計
智能鎖的整體設計目標是控制簡單、觸發(fā)時間短、功耗低和成本低。此外,要求執(zhí)行元件電磁閥在開鎖過程中負載小、功耗低。因此,開鎖時電磁閥的觸發(fā)通電時間必須很短,鎖閉機構(gòu)必須自動切斷回路,使電磁閥斷電。同時,需要聯(lián)動機構(gòu)運動阻力小,切換快速、準確。電磁閥接到反饋指令后,及時、精準實現(xiàn)控制。對于常規(guī)的智能鎖,在開鎖過程中,電磁閥作為受力元件一直帶電吸合,同時閥芯軸承受較大的徑向載荷,導致電磁閥線圈發(fā)熱易損壞,甚至導致電磁閥失效,無法打開鎖具。
傳統(tǒng)智能鎖的鎖閉機構(gòu)在開鎖過程中將電磁閥閥芯直接搭接手柄鎖舌上。閥芯承受徑向力的作用,由于電磁閥一直帶電,因此開鎖瞬間電流達到300 mA左右,超出了NB-IoT模組的許可電流,且加大了電磁閥發(fā)熱量,導致后臺控制器無法開鎖。所以,需要設計一種聯(lián)動機構(gòu),降低開鎖過程中的瞬時電流。應用該機構(gòu)后,電磁閥不作為受力元件,只作為觸發(fā)元件,開鎖時瞬間通電,開鎖后瞬間斷電,快速、準確切換,實現(xiàn)微電流開鎖,兼以提高可靠性。
具有聯(lián)動機構(gòu)的按鈕電子鎖結(jié)構(gòu)如圖2所示。此為鎖閉狀態(tài),在此狀態(tài)下,滑塊1與鎖舌頭部搭接在一起?;瑝K1和滑塊2的尾部圓柱軸上套合復位彈簧1和彈簧2,起到滑塊與鎖舌搭接的預緊作用。鎖舌安裝在手柄尾部下方兩側(cè)對稱的限位槽內(nèi)。機械鎖芯組件安裝在手柄上方的鎖芯孔內(nèi),鎖芯尾端的凸輪軸套合在鎖舌前部正上方的L型限位槽內(nèi),在鎖芯不轉(zhuǎn)動的情況下實現(xiàn)鎖舌的定位。鎖舌中部結(jié)構(gòu)與手柄按鈕孔位下方放置彈簧3,用于鎖舌的反向移位驅(qū)動?;膊糠胖秒姶砰y2,在正常狀態(tài)下,閥芯處于縮回狀態(tài),電磁閥2由后臺控制器發(fā)送指令獨立控制,實現(xiàn)閥芯的伸出和回縮。
應急開鎖和鎖芯受控操作:在鎖具異常狀態(tài)下,按下按鈕無法實現(xiàn)開鎖,可通過機械鑰匙開鎖。在管理員許可的狀態(tài)下,在電磁閥2處于斷電狀態(tài)時插入機械鑰匙,順時針轉(zhuǎn)動鎖芯,鎖芯下方凸輪軸脫離鎖舌的L型限位槽,鎖舌在復位彈簧的作用下反向移動,鎖舌頭部與滑塊搭接部分脫離,手柄彈開,實現(xiàn)開鎖。
3 雙滑塊聯(lián)動機構(gòu)設計
聯(lián)動機構(gòu)采用雙滑塊設計,通過兩個滑塊的運動時差實現(xiàn)短時觸發(fā)和復位。正常鎖閉狀態(tài)由電磁閥閥芯回縮,依靠滑塊1與鎖舌搭接實現(xiàn)。鎖閉強度比閥芯直接搭接鎖舌效果好,且防震效果更好。
在開鎖過程中,按壓金屬按鈕,鎖舌推動滑塊1和滑塊2左移,直至滑塊1的尾端圓柱軸觸發(fā)微動開關。電磁閥得電,滑塊1上方凹孔對準閥芯,閥芯伸出,滑塊1停止移動。圖3所示為按壓按鈕觸發(fā)微動開關示意圖。
在復位過程中,金屬按鈕松開,滑塊2和鎖舌右退復位。當三角形筋板通過凹孔時,剛接觸閥芯的頭部發(fā)生倒角,此時鎖舌與滑塊1已經(jīng)脫離,手柄已經(jīng)彈開,如圖4所示。接著,滑塊2繼續(xù)復位,筋板斜面將電磁閥1的閥芯頂退,閥芯脫離凹槽,滑塊1復位。再次按下手柄,實現(xiàn)自動上鎖。
在滑塊2復位的過程中,因為滑塊2的上方有直角三角形筋板特征(如圖5所示的外形特征),所以筋板套合在滑塊1的上表面一字槽內(nèi),三角形的斜面朝向復位方向。當斜面經(jīng)過凹孔時,筋板斜面與電磁閥1的閥芯端部剛好相抵(此時鎖舌與滑塊1的頭部已脫離),促使閥芯回縮,此時滑塊1在復位彈簧1的作用下恢復至起始位置。至此,聯(lián)動機構(gòu)開鎖動作全部完成。
4 討論
從第2章和第3章的開鎖設計來看,要實現(xiàn)低功耗下的智能開鎖,必須注意以下兩點:
(1)對于金屬按鈕下移推動鎖舌的行程,以及滑塊1的后退行程,必須嚴格控制誤差。誤差值不能超過滑塊1的凹孔單邊余量,經(jīng)過反復實驗,誤差值應控制在0.3 mm內(nèi),否則會導致鎖舌與滑塊1搭接部分無法脫扣,進而導致無法開鎖。
(2)滑塊1的復位彈簧的線徑要略小于滑塊2的復位彈簧的線徑。這是因為在開鎖過程中,滑塊1和滑塊2的復位彈簧的壓縮量相同,為了保證滑塊2在復位過程中,三角筋板的推力能夠推動閥芯回縮,必須保證滑塊1順利復位,只有這樣才能在合上手柄時實現(xiàn)自動上鎖。
5 功耗評測與驗證
對采用雙滑塊聯(lián)動機構(gòu)的智能鎖進行開鎖評測,通過示波器讀取相關數(shù)據(jù),如圖6所示。根據(jù)NB-IoT模組給鎖具供電電壓的范圍(3.3~5 V),加載不同電壓值,統(tǒng)計開鎖峰值電流和電磁閥通電時間的數(shù)據(jù),如表1所示。通過數(shù)據(jù)對比可知,當鎖具采用3.3 V的最低加載電壓時,開鎖峰值電流為85 mA,電磁閥通電時間只有0.28 s(見圖7抓取的數(shù)據(jù)),遠小于傳統(tǒng)智能鎖具開鎖電流(300 mA)和開鎖帶電時間(2 s)。如表1所示,隨著加載電壓的提高,電磁閥閥芯的動作力度和速度同步增大,切換更迅速準確,基本實現(xiàn)了短時觸發(fā)、低功耗的開鎖、解鎖要求,克服了傳統(tǒng)電子鎖開鎖過程中電磁閥需要一直帶電的缺點。
6 結(jié)論
(1)雙滑塊聯(lián)動機構(gòu)突破了傳統(tǒng)電子鎖電磁閥作為受力元件時功耗過高的瓶頸,將電磁閥作為繼電器來使用控制機構(gòu)狀態(tài)的切換,大大降低了智能鎖的功耗,降低了生產(chǎn)成本;
(2)本文設計的聯(lián)動機構(gòu)融合了機械鎖芯受控功能,不僅解決了機械鑰匙安全性低的問題,而且避免了電子鑰匙出現(xiàn)故障時可能帶來的麻煩,特別適用于戶外機柜的鎖控管理。
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作者簡介:
丁凡(1986—),通信作者,男,碩士,機械工程師。研究方向:機械設計制造及其自動化。
E-mail: ding3fan@163.com
(收稿日期:2020-08-19)