光交箱智能鎖低功耗雙滑塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)

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(shí)功耗過(guò)高，且開(kāi)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(dǎo)致元件損壞。結(jié)合NB-IoT模組承載性能，為光交箱設(shè)計(jì)一種采用低功耗雙滑塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的智能鎖。在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電磁閥不再作為受力元件，而是作為觸發(fā)元件，開(kāi)鎖時(shí)瞬間通電，開(kāi)鎖后瞬間斷電，實(shí)現(xiàn)微電流開(kāi)鎖;采用雙滑塊設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制行程誤差和復(fù)位過(guò)程，實(shí)現(xiàn)短時(shí)觸發(fā)。經(jīng)評(píng)測(cè)，在NB-IoT模組供電電壓3.3～5 V范圍內(nèi)，電磁閥通電時(shí)間由2 s降低至0.40 s以內(nèi)，開(kāi)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(guān)鍵詞： 智能鎖;聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu);光交箱;短時(shí)觸發(fā);電磁閥;低功耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TN925? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：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(luò)通信及云計(jì)算三大模塊組成，具有承載容量大、覆蓋領(lǐng)域廣、低成本、低功耗等特點(diǎn)[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(lán)牙等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)真正的萬(wàn)物互聯(lián)，在智能控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

目前，光纜交接箱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“光交箱”）的應(yīng)用規(guī)模成倍增長(zhǎng)，但鑒于光交箱所處的戶外環(huán)境和具有的無(wú)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(jì)等模式，導(dǎo)致光交箱鎖被撬、箱體被損壞或纖芯被非法占用后無(wú)法及時(shí)得以發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，嚴(yán)重影響各類(lèi)承載業(yè)務(wù)安全。

NB-IoT控制盒安裝在光交箱內(nèi)，通過(guò)有線連接控制門(mén)鎖和門(mén)磁開(kāi)關(guān)，NB-IoT控制盒內(nèi)的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光交箱內(nèi)部的溫度和濕度，門(mén)體的開(kāi)合狀態(tài)通過(guò)門(mén)磁開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)。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(xiàn)對(duì)鎖控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析各方案在光交箱鎖控系統(tǒng)中應(yīng)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(dòng)設(shè)計(jì)。經(jīng)評(píng)測(cè)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了短時(shí)觸發(fā)，并進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。

1? 文獻(xiàn)回顧與問(wèn)題分析

1.1? 文獻(xiàn)回顧

文獻(xiàn)[3]提出了一種光交箱智能管理系統(tǒng)，在原有光交箱基礎(chǔ)上集成了門(mén)磁/行程開(kāi)關(guān)、智能鎖、溫濕度傳感器、水浸傳感器等前端感知設(shè)備，利用NB-IoT模組將光交箱的各項(xiàng)信息實(shí)時(shí)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（監(jiān)控中心），監(jiān)控中心通過(guò)發(fā)送短信或者給相關(guān)移動(dòng)終端APP發(fā)送指示信息，告知光交箱巡視人員及時(shí)對(duì)光交箱實(shí)施實(shí)時(shí)全面的監(jiān)控管理。

使終端在大部分時(shí)間處于休眠模式，可極大程度上降低功耗。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了3種低功耗模式：睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式。系統(tǒng)大部分時(shí)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(xiàn)[4-5]從電源管理設(shè)計(jì)、低功耗軟件設(shè)計(jì)、啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)及單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)等方面，采用最優(yōu)設(shè)計(jì)理念來(lái)降低鎖具的功耗。電源模塊采用獨(dú)立降壓方式，針對(duì)各元件的不同電壓需求，設(shè)計(jì)了合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。智能鎖大部分時(shí)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(guò)軟件設(shè)計(jì)降低待機(jī)功耗，以延長(zhǎng)電池使用壽命。單片機(jī)ATmega8在開(kāi)始階段進(jìn)行初始化處理，之后關(guān)閉非接觸式模塊進(jìn)入省電模式，節(jié)省電量。

智能鎖大多采用電磁閥或電機(jī)作為執(zhí)行元件。文獻(xiàn)[6]介紹了一種觸發(fā)式電磁閥開(kāi)鎖機(jī)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(shí)現(xiàn)了低功耗開(kāi)啟鎖具的功能。若采用電機(jī)作為執(zhí)行元件，則電機(jī)的過(guò)位堵轉(zhuǎn)會(huì)造成開(kāi)鎖過(guò)程中電流瞬間增大，使得電機(jī)發(fā)熱，功耗增加。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的一種離合裝置巧妙地避開(kāi)了電機(jī)堵轉(zhuǎn)問(wèn)題，其使得電機(jī)空轉(zhuǎn)、沒(méi)有負(fù)載時(shí)不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰電流，實(shí)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(wèn)題，這是因?yàn)殡姶砰y的閥芯通常作為受力元件，開(kāi)鎖過(guò)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(kāi)啟。

戶外機(jī)柜的電子鎖可接入物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控鎖具的實(shí)時(shí)狀態(tài)和開(kāi)鎖信息。移動(dòng)端采用了FPGA技術(shù)[6]，通過(guò)藍(lán)牙連接NB-IoT模組，不僅可以對(duì)鎖具執(zhí)行相關(guān)操作，也可以對(duì)電子鑰匙進(jìn)行授權(quán)。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)具有實(shí)用性、開(kāi)放性、安全性、高效性和易維護(hù)性等特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)地適應(yīng)行業(yè)需求的變化，便于系統(tǒng)維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)。軟件系統(tǒng)功能一般包括：電子地圖、系統(tǒng)管理、報(bào)警管理、接入平臺(tái)移動(dòng)APP等。

1.2? 問(wèn)題分析

目前，光交箱在戶外工作環(huán)境下存在以下問(wèn)題：

（1）光交箱為無(wú)源設(shè)備，無(wú)法受到有效監(jiān)控;

（2）光交箱接入規(guī)模大且資源開(kāi)放，內(nèi)外部施工維護(hù)巡檢頻繁，涉及單位和人員眾多且流動(dòng)性大，無(wú)法使作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)管和完全覆蓋;

（3）光交箱分布廣泛，對(duì)于大量開(kāi)鎖鑰匙，人工管理困難，不能及時(shí)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(mén)鎖遭到破壞，或門(mén)鎖常年處于開(kāi)啟狀態(tài)而無(wú)人問(wèn)津，造成光網(wǎng)絡(luò)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(hù)成本較高，對(duì)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(kāi)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(cè)判斷，控制簡(jiǎn)單、節(jié)省成本，而且設(shè)計(jì)的鎖閉機(jī)構(gòu)需能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)觸發(fā)、瞬間開(kāi)鎖的功能。

2 智能鎖整體功能設(shè)計(jì)

智能鎖的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)是控制簡(jiǎn)單、觸發(fā)時(shí)間短、功耗低和成本低。此外，要求執(zhí)行元件電磁閥在開(kāi)鎖過(guò)程中負(fù)載小、功耗低。因此，開(kāi)鎖時(shí)電磁閥的觸發(fā)通電時(shí)間必須很短，鎖閉機(jī)構(gòu)必須自動(dòng)切斷回路，使電磁閥斷電。同時(shí)，需要聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)阻力小，切換快速、準(zhǔn)確。電磁閥接到反饋指令后，及時(shí)、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)控制。對(duì)于常規(guī)的智能鎖，在開(kāi)鎖過(guò)程中，電磁閥作為受力元件一直帶電吸合，同時(shí)閥芯軸承受較大的徑向載荷，導(dǎo)致電磁閥線圈發(fā)熱易損壞，甚至導(dǎo)致電磁閥失效，無(wú)法打開(kāi)鎖具。

傳統(tǒng)智能鎖的鎖閉機(jī)構(gòu)在開(kāi)鎖過(guò)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(kāi)鎖瞬間電流達(dá)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(dǎo)致后臺(tái)控制器無(wú)法開(kāi)鎖。所以，需要設(shè)計(jì)一種聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低開(kāi)鎖過(guò)程中的瞬時(shí)電流。應(yīng)用該機(jī)構(gòu)后，電磁閥不作為受力元件，只作為觸發(fā)元件，開(kāi)鎖時(shí)瞬間通電，開(kāi)鎖后瞬間斷電，快速、準(zhǔn)確切換，實(shí)現(xiàn)微電流開(kāi)鎖，兼以提高可靠性。

具有聯(lián)動(dòng)機(jī)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(fù)位彈簧1和彈簧2，起到滑塊與鎖舌搭接的預(yù)緊作用。鎖舌安裝在手柄尾部下方兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的限位槽內(nèi)。機(jī)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(dòng)的情況下實(shí)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(dòng)?；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(tái)控制器發(fā)送指令獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)閥芯的伸出和回縮。

應(yīng)急開(kāi)鎖和鎖芯受控操作：在鎖具異常狀態(tài)下，按下按鈕無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，可通過(guò)機(jī)械鑰匙開(kāi)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(shí)插入機(jī)械鑰匙，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鎖芯，鎖芯下方凸輪軸脫離鎖舌的L型限位槽，鎖舌在復(fù)位彈簧的作用下反向移動(dòng)，鎖舌頭部與滑塊搭接部分脫離，手柄彈開(kāi)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖。

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

聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙滑塊設(shè)計(jì)，通過(guò)兩個(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)由電磁閥閥芯回縮，依靠滑塊1與鎖舌搭接實(shí)現(xiàn)。鎖閉強(qiáng)度比閥芯直接搭接鎖舌效果好，且防震效果更好。

在開(kāi)鎖過(guò)程中，按壓金屬按鈕，鎖舌推動(dòng)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(dòng)開(kāi)關(guān)。電磁閥得電，滑塊1上方凹孔對(duì)準(zhǔn)閥芯，閥芯伸出，滑塊1停止移動(dòng)。圖3所示為按壓按鈕觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)示意圖。

在復(fù)位過(guò)程中，金屬按鈕松開(kāi)，滑塊2和鎖舌右退復(fù)位。當(dāng)三角形筋板通過(guò)凹孔時(shí)，剛接觸閥芯的頭部發(fā)生倒角，此時(shí)鎖舌與滑塊1已經(jīng)脫離，手柄已經(jīng)彈開(kāi)，如圖4所示。接著，滑塊2繼續(xù)復(fù)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(fù)位。再次按下手柄，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖。

在滑塊2復(fù)位的過(guò)程中，因?yàn)榛瑝K2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(fù)位方向。當(dāng)斜面經(jīng)過(guò)凹孔時(shí)，筋板斜面與電磁閥1的閥芯端部剛好相抵（此時(shí)鎖舌與滑塊1的頭部已脫離），促使閥芯回縮，此時(shí)滑塊1在復(fù)位彈簧1的作用下恢復(fù)至起始位置。至此，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)鎖動(dòng)作全部完成。

4 討論

從第2章和第3章的開(kāi)鎖設(shè)計(jì)來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)低功耗下的智能開(kāi)鎖，必須注意以下兩點(diǎn)：

（1）對(duì)于金屬按鈕下移推動(dòng)鎖舌的行程，以及滑塊1的后退行程，必須嚴(yán)格控制誤差。誤差值不能超過(guò)滑塊1的凹孔單邊余量，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，誤差值應(yīng)控制在0.3 mm內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致鎖舌與滑塊1搭接部分無(wú)法脫扣，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)鎖。

（2）滑塊1的復(fù)位彈簧的線徑要略小于滑塊2的復(fù)位彈簧的線徑。這是因?yàn)樵陂_(kāi)鎖過(guò)程中，滑塊1和滑塊2的復(fù)位彈簧的壓縮量相同，為了保證滑塊2在復(fù)位過(guò)程中，三角筋板的推力能夠推動(dòng)閥芯回縮，必須保證滑塊1順利復(fù)位，只有這樣才能在合上手柄時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖。

5 功耗評(píng)測(cè)與驗(yàn)證

對(duì)采用雙滑塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的智能鎖進(jìn)行開(kāi)鎖評(píng)測(cè)，通過(guò)示波器讀取相關(guān)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(jì)開(kāi)鎖峰值電流和電磁閥通電時(shí)間的數(shù)據(jù)，如表1所示。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)鎖具采用3.3 V的最低加載電壓時(shí)，開(kāi)鎖峰值電流為85 mA，電磁閥通電時(shí)間只有0.28 s（見(jiàn)圖7抓取的數(shù)據(jù)），遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)智能鎖具開(kāi)鎖電流（300 mA）和開(kāi)鎖帶電時(shí)間（2 s）。如表1所示，隨著加載電壓的提高，電磁閥閥芯的動(dòng)作力度和速度同步增大，切換更迅速準(zhǔn)確，基本實(shí)現(xiàn)了短時(shí)觸發(fā)、低功耗的開(kāi)鎖、解鎖要求，克服了傳統(tǒng)電子鎖開(kāi)鎖過(guò)程中電磁閥需要一直帶電的缺點(diǎn)。

6 結(jié)論

（1）雙滑塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)突破了傳統(tǒng)電子鎖電磁閥作為受力元件時(shí)功耗過(guò)高的瓶頸，將電磁閥作為繼電器來(lái)使用控制機(jī)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(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)融合了機(jī)械鎖芯受控功能，不僅解決了機(jī)械鑰匙安全性低的問(wèn)題，而且避免了電子鑰匙出現(xiàn)故障時(shí)可能帶來(lái)的麻煩，特別適用于戶外機(jī)柜的鎖控管理。

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作者簡(jiǎn)介：

丁凡（1986—），通信作者，男，碩士，機(jī)械工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

E-mail： ding3fan@163.com

（收稿日期：2020-08-19）