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。

參考文獻

[1] 何英杰， 楊書華， 孫涵， 等. 基于NB-IoT的低功耗智能光交箱門控系統(tǒng)設計[J]. 無線互聯(lián)科技， 2019， 16（4）： 19-20.

[2] 晉玉劍， 吳昌， 張俊強， 等. 基于NB-IoT和藍牙技術(shù)的智能門控系統(tǒng)設計[J]. 科技視界， 2020（11）： 36-38.

[3] 王煉紅， 陳穎. 用于智能鎖的超低功耗系統(tǒng)的設計與應用[J]. 湖南大學學報（自然科學版）， 2018， 45（8）： 119-125.

[4] 王麗君， 李萌. 新型超低功耗電子密碼鎖設計[J]. 電子設計工程， 2017， 25（15）： 145-147.

[5] 曹繼承， 郭建強， 尹鵬， 等. 基于MCU的超低功耗電子密碼鎖設計[J]. 自動化技術(shù)與應用， 2014， 33（7）： 39-42.

[6] 馬達. 磁性鎖具設計制作及其應用[J]. 磁性材料及器件， 1996， 27（3）： 24-27.

[7] 邱黎升. 一種智能電子鎖的離合裝置設計[J]. 機電技術(shù)， 2018（4）： 18-20.

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）