基于物聯(lián)網(wǎng)的光纜交接箱電子智能鎖設計與實現(xiàn)

曾雄飛

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東 中山 528400）

物聯(lián)網(wǎng)相關技術的逐步成熟以及政府等部門對物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的持續(xù)關注，推動了物聯(lián)網(wǎng)時代的到來。NB-IoT作為現(xiàn)階段我國物聯(lián)網(wǎng)結構體系中的重要分支，其憑借自身在蜂窩網(wǎng)絡結構技術和運行成本等方面的優(yōu)勢以及較高的商業(yè)價值，逐漸成為了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)，并且通過對NB-IoT模組的應用，將相應信息及時上傳至監(jiān)控中心，并由監(jiān)控中心向移動終端App傳達相應指示、下達各項監(jiān)管任務以及告知巡視人員實際的監(jiān)控工作，實現(xiàn)了對光交箱進行全面監(jiān)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(yōu)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(xù)航時間。

通常情況下，大部分智能鎖的執(zhí)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(zhí)行元件，會使開鎖環(huán)節(jié)的電流快速增大，導致電機出現(xiàn)發(fā)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(xiàn)堵轉的情況，并且不會在瞬間出現(xiàn)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(zhí)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(huán)節(jié)電磁閥會一直處于帶電狀態(tài)，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(lián)網(wǎng)管理平臺對其進行遠程監(jiān)控，實時掌握鎖具的開鎖信息以及當前所處的關、開狀態(tài)。其移動端采用現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(tài)地適應行業(yè)需求的變化，也方便工作人員對系統(tǒng)進行維護。

1.2 現(xiàn)存問題

現(xiàn)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(jiān)控。2） 光交箱具有資源開放以及接入規(guī)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(yè)過程進行全程監(jiān)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(tài)。4） 在監(jiān)管方面存在的問題也使較多光交箱門鎖出現(xiàn)損壞，并且由于存在對一些門鎖管控不當而出現(xiàn)長時間開啟的情況，也會導致光網(wǎng)絡傳輸發(fā)生故障。

圖1是戶外光交箱鎖控系統(tǒng)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(zhí)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(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單，具備明顯優(yōu)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(fā)時間短等特點。除此之外，還要確保智能鎖實際開鎖環(huán)節(jié)的執(zhí)行元件功耗低、負載小。因此，需要保證在智能鎖的開鎖環(huán)節(jié)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(lián)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(tǒng)智能鎖自身的閉鎖機構存在一定弊端，即在實際開鎖環(huán)節(jié)是將手柄鎖舌與電磁閥閥芯直接接觸。在該情況下，閥芯會受到一定的徑向力，因為電磁閥始終處于帶電狀態(tài)，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(lián)動機構，盡可能地減小開鎖環(huán)節(jié)產生的瞬時電流。在新型聯(lián)動機構中，電磁閥不再是受力元件，而是觸發(fā)元件，開鎖過程中會實現(xiàn)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(xiàn)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(tài)為鎖閉狀態(tài)，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(fā)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(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(xié)同作用下，實現(xiàn)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(yōu)點。

鎖芯以及應急開鎖受控操作如下：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(lián)動機構設計

在設計該智能鎖的過程中，智能鎖的聯(lián)動機構主要是通過雙滑塊設計的方式來實現(xiàn)的，通過2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)下，會通過電磁閥閥芯實現(xiàn)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(huán)節(jié)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(fā)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(fā)開關過程如圖3所示。

圖1 鎖控系統(tǒng)結構圖

圖2 按鈕電子鎖結構圖

在復位環(huán)節(jié)，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(jīng)過凹孔時，閥芯頭部會發(fā)生倒角，在該過程中，滑塊1與鎖舌已完成脫離狀態(tài)，手柄處于被彈開的狀態(tài)（如圖4所示）；隨后，滑塊2會繼續(xù)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(huán)節(jié)，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(xiàn)相抵的情況，在筋板斜面的作用下，閥芯回縮，最終滑塊1會回到原始的位置，整個開鎖動作就完成了。

圖3 觸發(fā)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(xiàn)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(huán)節(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，詳情見表1。對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集表

6 結論

經(jīng)評測，該設計實現(xiàn)了短時觸發(fā)，進一步降低了系統(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)故障時可能帶來的麻煩，適用于對戶外機柜的鎖控管理。