曾雄飛

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東 中山 528400）

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的逐步成熟以及政府等部門(mén)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)關(guān)注，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。NB-IoT作為現(xiàn)階段我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的重要分支，其憑借自身在蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)和運(yùn)行成本等方面的優(yōu)勢(shì)以及較高的商業(yè)價(jià)值，逐漸成為了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流。

1 文獻(xiàn)回顧與問(wèn)題分析

1.1 文獻(xiàn)回顧

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，學(xué)術(shù)界也逐漸加大了對(duì)智能鎖具的研究力度，出現(xiàn)了較多的研究成果，何英杰等人通過(guò)實(shí)際研究[1]，以原有光交箱為基礎(chǔ)，對(duì)相應(yīng)前端感知設(shè)備進(jìn)行集成（包括智能鎖、水浸傳感器以及門(mén)磁/行程開(kāi)關(guān)等），構(gòu)建出了光交箱智能管理系統(tǒng)，并且通過(guò)對(duì)NB-IoT模組的應(yīng)用，將相應(yīng)信息及時(shí)上傳至監(jiān)控中心，并由監(jiān)控中心向移動(dòng)終端App傳達(dá)相應(yīng)指示、下達(dá)各項(xiàng)監(jiān)管任務(wù)以及告知巡視人員實(shí)際的監(jiān)控工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光交箱進(jìn)行全面監(jiān)管的目的；當(dāng)存在不良情況時(shí)，巡視人員就可以及時(shí)處理，確保其可以正常運(yùn)行[2]。此外，該設(shè)計(jì)會(huì)使終端擁有大量的休眠時(shí)間，從而減少終端的功耗，延長(zhǎng)它的使用壽命。在實(shí)際研究中，基于電源模塊各元件不同的電壓需求，研究人員對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，智能鎖休眠期間會(huì)消耗較大的電量，因此利用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，可以有效降低智能鎖的待機(jī)功耗，從而增加電池的續(xù)航時(shí)間。

通常情況下，大部分智能鎖的執(zhí)行元件為電機(jī)或者電磁閥，研究人員也對(duì)其進(jìn)行了大量研究。如果將電機(jī)作為執(zhí)行元件，會(huì)使開(kāi)鎖環(huán)節(jié)的電流快速增大，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱的情況，最終大大增加鎖具的功耗。針對(duì)該問(wèn)題，邱黎升等人設(shè)計(jì)出了1種離合裝置[3]，該設(shè)計(jì)有效地防止了電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，并且不會(huì)在瞬間出現(xiàn)較大的電流；不僅延長(zhǎng)了鎖具的使用壽命，而且還降低了鎖具的功耗。將電磁閥作為智能鎖的執(zhí)行元件也有相應(yīng)的不足之處，主要是由于其受力元件為閥芯，在開(kāi)鎖環(huán)節(jié)電磁閥會(huì)一直處于帶電狀態(tài)，如果想開(kāi)啟鎖具，就需要有相應(yīng)的外力進(jìn)行輔助。

對(duì)戶(hù)外機(jī)柜電子鎖來(lái)說(shuō)，可以利用物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握鎖具的開(kāi)鎖信息以及當(dāng)前所處的關(guān)、開(kāi)狀態(tài)。其移動(dòng)端采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件（FPGA技術(shù)），并通過(guò)藍(lán)牙連接NB-IoT模組，不僅可以對(duì)鎖具進(jìn)行操作，而且還可以對(duì)電子鑰匙進(jìn)行授權(quán)。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)具有開(kāi)放性、實(shí)用性、安全性和高效性等特點(diǎn)，可以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)行業(yè)需求的變化，也方便工作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

1.2 現(xiàn)存問(wèn)題

現(xiàn)階段，在戶(hù)外工作的光交箱面臨以下4個(gè)問(wèn)題：1）由于光交箱屬于無(wú)源設(shè)備，因此不能對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。2） 光交箱具有資源開(kāi)放以及接入規(guī)模大的特點(diǎn)，需要多次開(kāi)展施工維護(hù)和巡檢工作；因此，會(huì)涉及較多的單位和人員，該情況不利于對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)管，實(shí)際工作質(zhì)量也無(wú)法得到保證。3） 由于光交箱分布較為廣泛，因此有較多的開(kāi)鎖鑰匙，如果通過(guò)人工管理的方式就會(huì)存在較大的難度，且無(wú)法全面掌握所有鎖的實(shí)際狀態(tài)。4） 在監(jiān)管方面存在的問(wèn)題也使較多光交箱門(mén)鎖出現(xiàn)損壞，并且由于存在對(duì)一些門(mén)鎖管控不當(dāng)而出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟的情況，也會(huì)導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)生故障。

圖1是戶(hù)外光交箱鎖控系統(tǒng)的NB-IoT模組內(nèi)置干電池給智能鎖供電的示意圖，由于電池電量有限且更換電池的成本較高，因此對(duì)用電執(zhí)行部件的功耗提出了很高的要求。智能鎖在滿(mǎn)足低成本要求的同時(shí)，還應(yīng)該滿(mǎn)足低功耗的要求；因此，需要研發(fā)出功耗低的智能鎖，該智能鎖將電磁閥作為執(zhí)行元件，能夠有效地控制成本，減少鎖具的功耗[4]，并且它的控制較為簡(jiǎn)單，具備明顯優(yōu)勢(shì)。

2 智能鎖整體功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能鎖的主要目標(biāo)在于讓其具有低能耗、低成本、控制簡(jiǎn)單以及觸發(fā)時(shí)間短等特點(diǎn)。除此之外，還要確保智能鎖實(shí)際開(kāi)鎖環(huán)節(jié)的執(zhí)行元件功耗低、負(fù)載小。因此，需要保證在智能鎖的開(kāi)鎖環(huán)節(jié)電磁閥不會(huì)有較長(zhǎng)的通電時(shí)間，其通電時(shí)間要盡可能達(dá)到最短，鎖閉機(jī)構(gòu)必須自動(dòng)切斷回路，使電磁閥斷電；同時(shí)，需要減小聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻力，保證它們可以精準(zhǔn)、快速地切換。當(dāng)電磁閥接到反饋指令后，就及時(shí)對(duì)其進(jìn)行控制。

傳統(tǒng)智能鎖自身的閉鎖機(jī)構(gòu)存在一定弊端，即在實(shí)際開(kāi)鎖環(huán)節(jié)是將手柄鎖舌與電磁閥閥芯直接接觸。在該情況下，閥芯會(huì)受到一定的徑向力，因?yàn)殡姶砰y始終處于帶電狀態(tài)，所以開(kāi)鎖時(shí)其會(huì)具備較大的瞬間電流，最高可達(dá)300 mA，該電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電磁閥的許可電流值；同時(shí)電磁閥溫度也會(huì)驟升，最終影響到正常開(kāi)鎖。因此，應(yīng)該有針對(duì)性地設(shè)計(jì)1種新型聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，盡可能地減小開(kāi)鎖環(huán)節(jié)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流。在新型聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電磁閥不再是受力元件，而是觸發(fā)元件，開(kāi)鎖過(guò)程中會(huì)實(shí)現(xiàn)瞬間通電與斷電，準(zhǔn)確切換的同時(shí)其切換速度也比較快，做到了微電流開(kāi)鎖[5]，有效避免了出現(xiàn)瞬間電流過(guò)大的問(wèn)題。

圖2是按鈕電子鎖結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中所示狀態(tài)為鎖閉狀態(tài)，此時(shí)鎖舌頭部與滑塊1相連。2個(gè)滑塊的尾部分別套著復(fù)位彈簧，發(fā)揮預(yù)緊的作用。手柄上方的鎖芯孔內(nèi)安裝著鎖芯組件，其余鎖舌限位槽緊密套合，鎖芯不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)揮鎖舌的定位作用，而鎖舌則位于手柄下方的限位槽中。除此之外，該電子鎖還具有主控板、扭簧、金屬按鈕、轉(zhuǎn)軸、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、塑料固定座以及基座等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)共同組成了按鈕電子鎖。在各部分的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)鎖具的功能，該結(jié)構(gòu)的智能鎖具有功耗小、使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

鎖芯以及應(yīng)急開(kāi)鎖受控操作如下：如果鎖具出現(xiàn)了異常情況，例如按下按鈕但不能正常開(kāi)鎖，可以利用機(jī)械鑰匙進(jìn)行開(kāi)鎖；獲得管理員許可后，插入機(jī)械鑰匙；在插入機(jī)械鑰匙時(shí)，要保證電磁閥2無(wú)電流，插入后朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)鎖芯，就可以完成開(kāi)鎖。

3 雙滑塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)該智能鎖的過(guò)程中，智能鎖的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)雙滑塊設(shè)計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)2個(gè)滑塊的運(yùn)動(dòng)時(shí)差實(shí)現(xiàn)短時(shí)觸發(fā)和復(fù)位。正常鎖閉狀態(tài)下，會(huì)通過(guò)電磁閥閥芯實(shí)現(xiàn)回縮，搭接鎖舌和滑塊1。該模式閉鎖強(qiáng)度更高，同時(shí)還具備更好的防震效果。

開(kāi)鎖環(huán)節(jié)通過(guò)按壓金屬按鈕，鎖舌會(huì)推動(dòng)2個(gè)滑塊向左移動(dòng)，2個(gè)滑塊中的滑塊1會(huì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，使電磁閥通電，待該滑塊凹孔與閥芯對(duì)準(zhǔn)后，閥芯會(huì)伸入凹孔內(nèi)，從而使滑塊1停止運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖3所示。

圖1 鎖控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 按鈕電子鎖結(jié)構(gòu)圖

在復(fù)位環(huán)節(jié)，松開(kāi)金屬按鈕后，鎖舌與滑塊2會(huì)向右回移；當(dāng)三角形筋板經(jīng)過(guò)凹孔時(shí)，閥芯頭部會(huì)發(fā)生倒角，在該過(guò)程中，滑塊1與鎖舌已完成脫離狀態(tài)，手柄處于被彈開(kāi)的狀態(tài)（如圖4所示）；隨后，滑塊2會(huì)繼續(xù)向右回移，在筋板斜面的作用下，閥芯會(huì)與滑塊1分開(kāi)，從而使滑塊1向右回移；再次按下手柄，就會(huì)自動(dòng)上鎖。在滑塊2復(fù)位的過(guò)程中，由于滑塊2的上方具有直角三角形筋板的特征（如圖5所示），因此在其復(fù)位環(huán)節(jié)，它的筋板會(huì)與滑塊1的滑槽相互套合，當(dāng)斜面與凹孔相遇時(shí)，閥芯會(huì)與筋板斜面出現(xiàn)相抵的情況，在筋板斜面的作用下，閥芯回縮，最終滑塊1會(huì)回到原始的位置，整個(gè)開(kāi)鎖動(dòng)作就完成了。

圖3 觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)

圖4 滑塊與鎖舌復(fù)位圖

圖5 2個(gè)滑塊的外形特征圖

4 討論

基于以上設(shè)計(jì)內(nèi)容可以得出，如果想達(dá)到低功耗的目的，還需要將以下2個(gè)方面的工作作為重點(diǎn)：1） 需要做好誤差控制的工作。確保鎖舌與滑塊1的行程誤差值不超過(guò)0.3 mm，如果兩者行程誤差值過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法脫口的問(wèn)題，從而影響正常開(kāi)鎖。2） 與滑塊2的復(fù)位彈簧線徑相比，滑塊1的線徑要稍小一些，主要原因是在實(shí)際開(kāi)鎖環(huán)節(jié)中，2個(gè)滑塊存在相同的復(fù)位彈簧壓縮量，在復(fù)位過(guò)程中，為了保證滑塊2三角筋板的推力能夠推動(dòng)閥芯回縮，就要保證滑塊1順利復(fù)位，只有這樣才能保證在合上手柄時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖。

5 功耗評(píng)測(cè)及驗(yàn)證

圖6 評(píng)測(cè)工裝圖

對(duì)該文設(shè)計(jì)出的智能鎖進(jìn)行功耗評(píng)測(cè)，與此同時(shí)，利用示波器讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)測(cè)工裝詳情如圖6所示，結(jié)合鎖具能承受的電壓的范圍，對(duì)不同電壓值進(jìn)行加載評(píng)測(cè)，并詳細(xì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，詳情見(jiàn)表1。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可以得出，當(dāng)加載電壓為3.3 V時(shí)，電磁閥通電時(shí)間最短，僅為0.28 s，同時(shí)峰值電流為85 mA，均小于其他鎖具。當(dāng)加載電壓逐漸提高時(shí)，閥芯動(dòng)作及速度也會(huì)得到大幅提升，解決了電磁閥始終帶電問(wèn)題[6]，且降低了開(kāi)鎖的功耗。

表1 開(kāi)鎖數(shù)據(jù)采集表

6 結(jié)論

經(jīng)評(píng)測(cè)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了短時(shí)觸發(fā)，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗，也提高了鎖控系統(tǒng)的安全性，而且避免了電子鑰匙出現(xiàn)故障時(shí)可能帶來(lái)的麻煩，適用于對(duì)戶(hù)外機(jī)柜的鎖控管理。