光交箱智能鎖低功耗雙滑塊聯動機構設計與評測

丁凡 姚春良 姜杰

摘? ?要： 傳統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網（NB-IoT）模組的許可電流，易導致元件損壞。結合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動機構的智能鎖。在聯動機構中，電磁閥不再作為受力元件，而是作為觸發元件，開鎖時瞬間通電，開鎖后瞬間斷電，實現微電流開鎖;采用雙滑塊設計，嚴格控制行程誤差和復位過程，實現短時觸發。經評測，在NB-IoT模組供電電壓3.3～5 V范圍內，電磁閥通電時間由2 s降低至0.40 s以內，開鎖峰值電流由300 mA降低至120 mA以內，提升了智能鎖的使用壽命和可靠性。

關鍵詞： 智能鎖;聯動機構;光交箱;短時觸發;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

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.006

引言

窄帶物聯網（NB-IoT）技術是物聯網的重要分支，由傳感器、網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技術在接入規模、傳輸距離、成本、功耗等方面明顯優于3G/4G、NFC、藍牙等技術，可以實現真正的萬物互聯，在智能控制、遠程監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”）的應用規模成倍增長，但鑒于光交箱所處的戶外環境和具有的無源特性，絕大多數光交箱鎖控系統還在使用人工盯防、手工統計等模式，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現和修復，嚴重影響各類承載業務安全。

NB-IoT控制盒安裝在光交箱內，通過有線連接控制門鎖和門磁開關，NB-IoT控制盒內的傳感器可以實時監測光交箱內部的溫度和濕度，門體的開合狀態通過門磁開關來檢測。NB-IoT技術的發展為光交箱鎖控系統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的設計方案，分析各方案在光交箱鎖控系統中應用的局限性;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動設計。經評測，該設計實現了短時觸發，并進一步降低了系統功耗。

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，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網平臺（監控中心），監控中心通過發送短信或者給相關移動終端APP發送指示信息，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構。智能鎖大部分時間處于鎖閉狀態，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，節省電量。

智能鎖大多采用電磁閥或電機作為執行元件。文獻[6]介紹了一種觸發式電磁閥開鎖機構，用磁卡觸發干簧管，從而控制電磁閥的通斷，較好地實現了低功耗開啟鎖具的功能。若采用電機作為執行元件，則電機的過位堵轉會造成開鎖過程中電流瞬間增大，使得電機發熱，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問題，其使得電機空轉、沒有負載時不會產生瞬時尖峰電流，實現了降低鎖具功耗的目的。但采用電磁閥作為執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網管理平臺，遠程監控鎖具的實時狀態和開鎖信息。移動端采用了FPGA技術[6]，通過藍牙連接NB-IoT模組，不僅可以對鎖具執行相關操作，也可以對電子鑰匙進行授權。物聯網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，動態地適應行業需求的變化，便于系統維護和二次開發。軟件系統功能一般包括：電子地圖、系統管理、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境下存在以下問題：

（1）光交箱為無源設備，無法受到有效監控;

（2）光交箱接入規模大且資源開放，內外部施工維護巡檢頻繁，涉及單位和人員眾多且流動性大，無法使作業過程實現全程監管和完全覆蓋;

（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;

（4）由于監管困難，大多數光交箱的門鎖遭到破壞，或門鎖常年處于開啟狀態而無人問津，造成光網絡的傳輸故障。

光交箱鎖控系統（如圖1）的NB-IoT模組內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，因此迫切需要開發一種低功耗的智能鎖，其采用電磁閥作為執行元件，不需要位置檢測判斷，控制簡單、節省成本，而且設計的鎖閉機構需能夠實現短時觸發、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、觸發時間短、功耗低和成本低。此外，要求執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通電時間必須很短，鎖閉機構必須自動切斷回路，使電磁閥斷電。同時，需要聯動機構運動阻力小，切換快速、準確。電磁閥接到反饋指令后，及時、精準實現控制。對于常規的智能鎖，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，導致電磁閥線圈發熱易損壞，甚至導致電磁閥失效，無法打開鎖具。

傳統智能鎖的鎖閉機構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，且加大了電磁閥發熱量，導致后臺控制器無法開鎖。所以，需要設計一種聯動機構，降低開鎖過程中的瞬時電流。應用該機構后，電磁閥不作為受力元件，只作為觸發元件，開鎖時瞬間通電，開鎖后瞬間斷電，快速、準確切換，實現微電流開鎖，兼以提高可靠性。

具有聯動機構的按鈕電子鎖結構如圖2所示。此為鎖閉狀態，在此狀態下，滑塊1與鎖舌頭部搭接在一起。滑塊1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對稱的限位槽內。機械鎖芯組件安裝在手柄上方的鎖芯孔內，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，在鎖芯不轉動的情況下實現鎖舌的定位。鎖舌中部結構與手柄按鈕孔位下方放置彈簧3，用于鎖舌的反向移位驅動。基座尾部放置電磁閥2，在正常狀態下，閥芯處于縮回狀態，電磁閥2由后臺控制器發送指令獨立控制，實現閥芯的伸出和回縮。

應急開鎖和鎖芯受控操作：在鎖具異常狀態下，按下按鈕無法實現開鎖，可通過機械鑰匙開鎖。在管理員許可的狀態下，在電磁閥2處于斷電狀態時插入機械鑰匙，順時針轉動鎖芯，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，實現開鎖。

3 雙滑塊聯動機構設計

聯動機構采用雙滑塊設計，通過兩個滑塊的運動時差實現短時觸發和復位。正常鎖閉狀態由電磁閥閥芯回縮，依靠滑塊1與鎖舌搭接實現。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生倒角，此時鎖舌與滑塊1已經脫離，手柄已經彈開，如圖4所示。接著，滑塊2繼續復位，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，三角形的斜面朝向復位方向。當斜面經過凹孔時，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，聯動機構開鎖動作全部完成。

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，經過反復實驗，誤差值應控制在0.3 mm內，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自動上鎖。

5 功耗評測與驗證

對采用雙滑塊聯動機構的智能鎖進行開鎖評測，通過示波器讀取相關數據，如圖6所示。根據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，統計開鎖峰值電流和電磁閥通電時間的數據，如表1所示。通過數據對比可知，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抓取的數據），遠小于傳統智能鎖具開鎖電流（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，基本實現了短時觸發、低功耗的開鎖、解鎖要求，克服了傳統電子鎖開鎖過程中電磁閥需要一直帶電的缺點。

6 結論

（1）雙滑塊聯動機構突破了傳統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狀態的切換，大大降低了智能鎖的功耗，降低了生產成本;

（2）本文設計的聯動機構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

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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）