基于物聯網的光纜交接箱電子智能鎖設計與實現

曾雄飛

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東 中山 528400）

物聯網相關技術的逐步成熟以及政府等部門對物聯網產業的持續關注，推動了物聯網時代的到來。NB-IoT作為現階段我國物聯網結構體系中的重要分支，其憑借自身在蜂窩網絡結構技術和運行成本等方面的優勢以及較高的商業價值，逐漸成為了物聯網發展的主流。

1 文獻回顧與問題分析

1.1 文獻回顧

在科學技術不斷發展的過程中，學術界也逐漸加大了對智能鎖具的研究力度，出現了較多的研究成果，何英杰等人通過實際研究[1]，以原有光交箱為基礎，對相應前端感知設備進行集成（包括智能鎖、水浸傳感器以及門磁/行程開關等），構建出了光交箱智能管理系統，并且通過對NB-IoT模組的應用，將相應信息及時上傳至監控中心，并由監控中心向移動終端App傳達相應指示、下達各項監管任務以及告知巡視人員實際的監控工作，實現了對光交箱進行全面監管的目的；當存在不良情況時，巡視人員就可以及時處理，確保其可以正常運行[2]。此外，該設計會使終端擁有大量的休眠時間，從而減少終端的功耗，延長它的使用壽命。在實際研究中，基于電源模塊各元件不同的電壓需求，研究人員對拓撲結構進行合理設計，智能鎖休眠期間會消耗較大的電量，因此利用優化設計手段，可以有效降低智能鎖的待機功耗，從而增加電池的續航時間。

通常情況下，大部分智能鎖的執行元件為電機或者電磁閥，研究人員也對其進行了大量研究。如果將電機作為執行元件，會使開鎖環節的電流快速增大，導致電機出現發熱的情況，最終大大增加鎖具的功耗。針對該問題，邱黎升等人設計出了1種離合裝置[3]，該設計有效地防止了電機出現堵轉的情況，并且不會在瞬間出現較大的電流；不僅延長了鎖具的使用壽命，而且還降低了鎖具的功耗。將電磁閥作為智能鎖的執行元件也有相應的不足之處，主要是由于其受力元件為閥芯，在開鎖環節電磁閥會一直處于帶電狀態，如果想開啟鎖具，就需要有相應的外力進行輔助。

對戶外機柜電子鎖來說，可以利用物聯網管理平臺對其進行遠程監控，實時掌握鎖具的開鎖信息以及當前所處的關、開狀態。其移動端采用現場可編程器件（FPGA技術），并通過藍牙連接NB-IoT模組，不僅可以對鎖具進行操作，而且還可以對電子鑰匙進行授權。物聯網管理平臺具有開放性、實用性、安全性和高效性等特點，可以動態地適應行業需求的變化，也方便工作人員對系統進行維護。

1.2 現存問題

現階段，在戶外工作的光交箱面臨以下4個問題：1）由于光交箱屬于無源設備，因此不能對其實際運行狀況進行監控。2） 光交箱具有資源開放以及接入規模大的特點，需要多次開展施工維護和巡檢工作；因此，會涉及較多的單位和人員，該情況不利于對作業過程進行全程監管，實際工作質量也無法得到保證。3） 由于光交箱分布較為廣泛，因此有較多的開鎖鑰匙，如果通過人工管理的方式就會存在較大的難度，且無法全面掌握所有鎖的實際狀態。4） 在監管方面存在的問題也使較多光交箱門鎖出現損壞，并且由于存在對一些門鎖管控不當而出現長時間開啟的情況，也會導致光網絡傳輸發生故障。

圖1是戶外光交箱鎖控系統的NB-IoT模組內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，因此對用電執行部件的功耗提出了很高的要求。智能鎖在滿足低成本要求的同時，還應該滿足低功耗的要求；因此，需要研發出功耗低的智能鎖，該智能鎖將電磁閥作為執行元件，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單，具備明顯優勢。

2 智能鎖整體功能設計

設計智能鎖的主要目標在于讓其具有低能耗、低成本、控制簡單以及觸發時間短等特點。除此之外，還要確保智能鎖實際開鎖環節的執行元件功耗低、負載小。因此，需要保證在智能鎖的開鎖環節電磁閥不會有較長的通電時間，其通電時間要盡可能達到最短，鎖閉機構必須自動切斷回路，使電磁閥斷電；同時，需要減小聯動機構的運動阻力，保證它們可以精準、快速地切換。當電磁閥接到反饋指令后，就及時對其進行控制。

傳統智能鎖自身的閉鎖機構存在一定弊端，即在實際開鎖環節是將手柄鎖舌與電磁閥閥芯直接接觸。在該情況下，閥芯會受到一定的徑向力，因為電磁閥始終處于帶電狀態，所以開鎖時其會具備較大的瞬間電流，最高可達300 mA，該電流值遠遠超過電磁閥的許可電流值；同時電磁閥溫度也會驟升，最終影響到正常開鎖。因此，應該有針對性地設計1種新型聯動機構，盡可能地減小開鎖環節產生的瞬時電流。在新型聯動機構中，電磁閥不再是受力元件，而是觸發元件，開鎖過程中會實現瞬間通電與斷電，準確切換的同時其切換速度也比較快，做到了微電流開鎖[5]，有效避免了出現瞬間電流過大的問題。

圖2是按鈕電子鎖結構的示意圖，圖中所示狀態為鎖閉狀態，此時鎖舌頭部與滑塊1相連。2個滑塊的尾部分別套著復位彈簧，發揮預緊的作用。手柄上方的鎖芯孔內安裝著鎖芯組件，其余鎖舌限位槽緊密套合，鎖芯不轉動時，就會發揮鎖舌的定位作用，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、轉軸、微動開關、塑料固定座以及基座等結構，這些結構共同組成了按鈕電子鎖。在各部分的協同作用下，實現鎖具的功能，該結構的智能鎖具有功耗小、使用壽命較長等優點。

鎖芯以及應急開鎖受控操作如下：如果鎖具出現了異常情況，例如按下按鈕但不能正常開鎖，可以利用機械鑰匙進行開鎖；獲得管理員許可后，插入機械鑰匙；在插入機械鑰匙時，要保證電磁閥2無電流，插入后朝順時針方向轉動鎖芯，就可以完成開鎖。

3 雙滑塊聯動機構設計

在設計該智能鎖的過程中，智能鎖的聯動機構主要是通過雙滑塊設計的方式來實現的，通過2個滑塊的運動時差實現短時觸發和復位。正常鎖閉狀態下，會通過電磁閥閥芯實現回縮，搭接鎖舌和滑塊1。該模式閉鎖強度更高，同時還具備更好的防震效果。

開鎖環節通過按壓金屬按鈕，鎖舌會推動2個滑塊向左移動，2個滑塊中的滑塊1會觸發開關，使電磁閥通電，待該滑塊凹孔與閥芯對準后，閥芯會伸入凹孔內，從而使滑塊1停止運動，觸發開關過程如圖3所示。

圖1 鎖控系統結構圖

圖2 按鈕電子鎖結構圖

在復位環節，松開金屬按鈕后，鎖舌與滑塊2會向右回移；當三角形筋板經過凹孔時，閥芯頭部會發生倒角，在該過程中，滑塊1與鎖舌已完成脫離狀態，手柄處于被彈開的狀態（如圖4所示）；隨后，滑塊2會繼續向右回移，在筋板斜面的作用下，閥芯會與滑塊1分開，從而使滑塊1向右回移；再次按下手柄，就會自動上鎖。在滑塊2復位的過程中，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），因此在其復位環節，它的筋板會與滑塊1的滑槽相互套合，當斜面與凹孔相遇時，閥芯會與筋板斜面出現相抵的情況，在筋板斜面的作用下，閥芯回縮，最終滑塊1會回到原始的位置，整個開鎖動作就完成了。

圖3 觸發微動開關

圖4 滑塊與鎖舌復位圖

圖5 2個滑塊的外形特征圖

4 討論

基于以上設計內容可以得出，如果想達到低功耗的目的，還需要將以下2個方面的工作作為重點：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0.3 mm，如果兩者行程誤差值過大，就會出現無法脫口的問題，從而影響正常開鎖。2） 與滑塊2的復位彈簧線徑相比，滑塊1的線徑要稍小一些，主要原因是在實際開鎖環節中，2個滑塊存在相同的復位彈簧壓縮量，在復位過程中，為了保證滑塊2三角筋板的推力能夠推動閥芯回縮，就要保證滑塊1順利復位，只有這樣才能保證在合上手柄時實現自動上鎖。

5 功耗評測及驗證

圖6 評測工裝圖

對該文設計出的智能鎖進行功耗評測，與此同時，利用示波器讀取相關數據，評測工裝詳情如圖6所示，結合鎖具能承受的電壓的范圍，對不同電壓值進行加載評測，并詳細記錄相關數據，詳情見表1。對數據進行對比分析可以得出，當加載電壓為3.3 V時，電磁閥通電時間最短，僅為0.28 s，同時峰值電流為85 mA，均小于其他鎖具。當加載電壓逐漸提高時，閥芯動作及速度也會得到大幅提升，解決了電磁閥始終帶電問題[6]，且降低了開鎖的功耗。

表1 開鎖數據采集表

6 結論

經評測，該設計實現了短時觸發，進一步降低了系統的功耗，也提高了鎖控系統的安全性，而且避免了電子鑰匙出現故障時可能帶來的麻煩，適用于對戶外機柜的鎖控管理。