基于NFC無(wú)源供電技術(shù)的防誤鎖具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

閔 雄1，趙 力2

（1.廣東平方科技有限公司，廣東 珠海 519000；2.國(guó)網(wǎng)青海海南供電公司，青海 海南 813000）

0 引言

鎖具在電力能源企業(yè)安全生產(chǎn)中涉及大量重點(diǎn)設(shè)施、設(shè)備和物品管理。如戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜、充電樁、風(fēng)電機(jī)等，這些設(shè)備地理位置分散、種類(lèi)復(fù)雜、數(shù)量繁多，借用頻繁，日常運(yùn)維作業(yè)中涉及工作面大、距離遠(yuǎn)、交叉頻繁的問(wèn)題[1-2]。特別是在電力行業(yè)中多用在防誤領(lǐng)域。目前廣泛采用傳統(tǒng)機(jī)械鎖具，利用大量機(jī)械鑰匙進(jìn)行管理，主要存在如下問(wèn)題：（1）鎖具與鑰匙數(shù)量大，一一對(duì)應(yīng)，查詢(xún)?nèi)∮眯实?；?）機(jī)械鑰匙缺乏防護(hù)措施，鑰匙管理粗放，易丟失、易復(fù)制；（3）生產(chǎn)作業(yè)交叉頻繁，授權(quán)難、記錄難；（4）缺乏科技手段，過(guò)程管理和監(jiān)督缺乏，安全風(fēng)險(xiǎn)突出。部分有源智能鎖具方案可實(shí)現(xiàn)智能化管理，但依賴(lài)內(nèi)外部電源，維護(hù)難度大、可靠性低、實(shí)施復(fù)雜，且需要專(zhuān)用鑰匙，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平低，難以實(shí)現(xiàn)智能安全控制[3-4]。

在當(dāng)今社會(huì)大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的趨勢(shì)下。電力行業(yè)對(duì)傳統(tǒng)鎖具也提出了新的需求[5]。國(guó)網(wǎng)公司在2021年1月29日發(fā)布了《Q/GDW 12027-2020智能物聯(lián)鎖具技術(shù)規(guī)范》。主要是基于藍(lán)牙技術(shù)路線(xiàn)。目前市面上藍(lán)牙技術(shù)的鎖具，分為在線(xiàn)和非在線(xiàn)兩種。在線(xiàn)的藍(lán)牙鎖具內(nèi)置電池，配合狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元可以獲得鎖具的實(shí)時(shí)開(kāi)閉狀態(tài)。非在線(xiàn)的則無(wú)此功能。內(nèi)置電池因壽命和體積限制，開(kāi)鎖所需功耗大，一般只作為狀態(tài)供電，不作為開(kāi)鎖動(dòng)力供電。所以通常用另外的專(zhuān)用鎖具供電器配合手持終端進(jìn)行開(kāi)鎖操作。手持終端先和專(zhuān)用鎖具供電器通訊，然后專(zhuān)用鎖具供電器通訊再和鎖具通訊，執(zhí)行手持終端的開(kāi)鎖指令。用戶(hù)在使用時(shí)的體驗(yàn)感有待提高。特別是在北方低溫地區(qū)使用，開(kāi)鎖可靠性及壽命問(wèn)題更為突出。

南網(wǎng)公司也在2021年公布了《電力智能物聯(lián)安全鎖具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》征求意見(jiàn)稿。包含了基于藍(lán)牙技術(shù)和基于NFC（Near Field Communication）技術(shù)的智能鎖?；贜FC技術(shù)的智能鎖因?yàn)槊馊チ穗娫淳S護(hù)，在取電比較復(fù)雜的環(huán)境下優(yōu)勢(shì)比較明顯，但是其供電功耗低，可轉(zhuǎn)換的力矩有限，和傳統(tǒng)機(jī)械鎖具結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計(jì)上若無(wú)較明顯的突破，將導(dǎo)致開(kāi)鎖行程和開(kāi)鎖力量不夠而無(wú)法開(kāi)鎖的問(wèn)題。有些產(chǎn)品為平衡力矩、壽命、供能功耗的問(wèn)題，常常采用減小開(kāi)鎖的相關(guān)行程和彈簧的彈力來(lái)實(shí)現(xiàn)，但卻發(fā)現(xiàn)在戶(hù)外使用或振動(dòng)環(huán)境下，鎖具很容易自動(dòng)打開(kāi)，安全性存在很大問(wèn)題。也有一些僅利用NFC來(lái)通訊開(kāi)鎖指令，同時(shí)使用單獨(dú)供能方式類(lèi)型鎖具。這種并不是真正意義上的NFC無(wú)源智能鎖具[6-7]。

基于上述問(wèn)題及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免發(fā)生誤操作等安全事故，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力安全防誤鎖具及鑰匙的集中統(tǒng)一管理，免電池維護(hù)的無(wú)源供電智能鎖具及管理系統(tǒng)，以提高防誤運(yùn)行、維護(hù)、管理水平和工作效率的需求變得急為迫切。

1 防誤鎖具結(jié)構(gòu)組成

基于NFC無(wú)源供電技術(shù)的防誤鎖具通過(guò)NFC讀碼時(shí)，對(duì)鎖具進(jìn)行通信的同時(shí)供電，通過(guò)機(jī)電設(shè)計(jì)，在保證鎖具安全可靠的情況下，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖操作[8-9]。鎖具內(nèi)部無(wú)電池，也無(wú)需要通過(guò)外接供電器或供電線(xiàn)之類(lèi)的專(zhuān)用設(shè)備來(lái)供電開(kāi)鎖，主要由鎖梁及鎖體、減速電機(jī)、電路模塊組成。鎖梁用來(lái)閉鎖電力設(shè)備，如刀閘、柜門(mén)、開(kāi)關(guān)等。鎖體內(nèi)部包括用來(lái)閉鎖和釋放鎖梁的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。電路模塊為減速電機(jī)提供電能。減速電機(jī)動(dòng)作后完成觸發(fā)鎖體內(nèi)部用來(lái)閉鎖和釋放鎖梁的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)工作。鎖梁被釋放后，作業(yè)人員即可對(duì)相應(yīng)電氣設(shè)備進(jìn)行下一步的操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閉鎖對(duì)象設(shè)備的有效閉鎖管理。整個(gè)產(chǎn)品的主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)為電路模塊能量的采集和特殊的微功耗傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。特別是機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)的部分，直接決定產(chǎn)品能否成功實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能。

2 主要組成設(shè)計(jì)

2.1 電路模塊

基于NFC無(wú)源電路模塊使用一款通用型NFC無(wú)線(xiàn)MCU，支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在提供通用雙端口標(biāo)簽的通信與存儲(chǔ)功能的同時(shí)，極大地提升和擴(kuò)展了傳統(tǒng)被動(dòng)NFC接口的效能和功能。是傳統(tǒng)被動(dòng)接口2倍或更高的天線(xiàn)效率。還提供了無(wú)與倫比的NFC無(wú)線(xiàn)能量采集能力。結(jié)合安卓或者蘋(píng)果手機(jī)，電路模塊可無(wú)電池運(yùn)行，同時(shí)提供最高達(dá)300 mW的直流電能?？沈?qū)動(dòng)電機(jī)，或?yàn)槌?jí)電容充電。主要包括NFC天線(xiàn)、NFC主控芯片、能量存儲(chǔ)和能量監(jiān)測(cè)電路、電源控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)NFC天線(xiàn)獲取外部電能，作為供電電源，實(shí)現(xiàn)鎖具的解閉鎖電動(dòng)控制[10-11]。具體原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

閉鎖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式可以多種多樣，如掛鎖、旋轉(zhuǎn)把手鎖、栓式鎖等，本文以防誤掛鎖為例。電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)凸輪作圓周運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)開(kāi)鎖盤(pán)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，閉鎖撥叉在開(kāi)鎖主彈簧向上的作用力及自身復(fù)位扭簧順時(shí)針?lè)较蛄ψ饔孟卵杆侔l(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入開(kāi)鎖盤(pán)的避位凹處，從而放開(kāi)鎖梁，完成開(kāi)鎖動(dòng)作。傳感器1檢測(cè)鎖梁遠(yuǎn)離，即為開(kāi)鎖的狀態(tài)。傳感器2檢測(cè)電機(jī)凸輪的位置狀態(tài)。

上鎖時(shí)，手動(dòng)下壓鎖梁，閉鎖撥叉在鎖梁的壓力下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，閉鎖撥叉退出開(kāi)鎖盤(pán)的避位凹處，開(kāi)鎖盤(pán)在復(fù)位扭簧2的作用下完成復(fù)位。閉鎖撥叉即頂在開(kāi)鎖盤(pán)的外側(cè)。完成上鎖。主要力矩優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：（1）不直接對(duì)抗主開(kāi)鎖彈簧產(chǎn)生的彈力，主開(kāi)鎖彈簧力通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將其轉(zhuǎn)化為圓弧或斜面接觸點(diǎn)切點(diǎn)的壓力，可減小一半以上；（2）通過(guò)杠桿原理，將上述壓力利用長(zhǎng)度比再次減小一半以上；（3）此時(shí)壓力通過(guò)兩個(gè)圓柱的接觸面轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ亮?，進(jìn)一步減??；（4）最后利用開(kāi)鎖盤(pán)與電機(jī)凸輪盤(pán)形面的齒輪副比，壓力再進(jìn)一步減小。

此機(jī)構(gòu)通過(guò)在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)之間設(shè)置摩擦傳動(dòng)以及設(shè)置摩擦副的傳動(dòng)比，降低解鎖時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)限位機(jī)構(gòu)需要輸出的開(kāi)鎖力。同時(shí)可以在開(kāi)鎖的行程設(shè)計(jì)上，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)凸輪設(shè)計(jì)為2點(diǎn)或以上多點(diǎn)凸輪。從而減少開(kāi)鎖時(shí)的空轉(zhuǎn)時(shí)間。提高開(kāi)鎖的響應(yīng)時(shí)間及用戶(hù)體驗(yàn)感覺(jué)。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2.3 應(yīng)用架構(gòu)

防誤的主要目的是避免作業(yè)人員失誤造成生命或財(cái)產(chǎn)安全，保障電力安全運(yùn)行。所以每個(gè)電力設(shè)備開(kāi)關(guān)、刀閘都有對(duì)應(yīng)的鎖具，并按作業(yè)需要進(jìn)行開(kāi)鎖授權(quán)管理、開(kāi)鎖邏輯順序管理。防誤系統(tǒng)架構(gòu)以受控設(shè)備為安全控制對(duì)象，系統(tǒng)主要由鎖控云、鎖控主機(jī)、移動(dòng)終端（手機(jī)/PDA/iKEY）、智能鎖具裝置4部分構(gòu)成[12-13]。具體如圖3所示。

圖3 應(yīng)用架構(gòu)

（1）鎖控云是系統(tǒng)綜合運(yùn)行管理中心，提供基于云端的業(yè)務(wù)管理，包括用戶(hù)權(quán)限、設(shè)備目錄、操作日志、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？筛鶕?jù)需要提供私有云應(yīng)用模式、公有云應(yīng)用模式或混合云應(yīng)用模式進(jìn)行部署。

（2）鎖控主機(jī)是用戶(hù)私有云或數(shù)據(jù)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。用于保存需要進(jìn)行私有云部署的用戶(hù)私有數(shù)據(jù)，包括本地設(shè)備信息、業(yè)務(wù)邏輯、鎖具數(shù)據(jù)、權(quán)限等核心數(shù)據(jù)。

（3）移動(dòng)終端是用戶(hù)根據(jù)管理和業(yè)務(wù)目標(biāo)執(zhí)行開(kāi)閉所操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用規(guī)模和配置差別，可分為智能移動(dòng)終端和iKEY（通開(kāi)型）。含NFC讀碼能力的手機(jī)或PDA智能移動(dòng)終端均可作為智能移動(dòng)終端，安裝有專(zhuān)用鎖控App，通過(guò)鎖控App與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行操作任務(wù)交互管理、權(quán)限鑒別，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖具的識(shí)別、無(wú)線(xiàn)供電、邏輯管理和行為記錄功能。iKEY（通開(kāi)型）是一種簡(jiǎn)化的通開(kāi)型小型開(kāi)鎖鑰匙，可以根據(jù)需要注冊(cè)鎖具，并對(duì)注冊(cè)的鎖具實(shí)現(xiàn)電子化通開(kāi)管理，拿到鑰匙及授權(quán)。

（4）智能鎖具裝置是具備N(xiāo)FC無(wú)源供電技術(shù)的智能鎖具。支持NFC讀碼通信和功能，無(wú)內(nèi)置電池，具備全封閉設(shè)計(jì)，可以是掛鎖、旋轉(zhuǎn)把手鎖、栓式鎖等不同結(jié)構(gòu)形式。

3 應(yīng)用實(shí)踐和分析

該技術(shù)目前已在部分供電局投入運(yùn)行，主要用于主網(wǎng)變電站、配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜變電房等電力設(shè)施設(shè)備的安全管控與防止誤操作管理。主要包括爬梯通道門(mén)安全、電氣刀閘操作、檢修安全隔離等，尤其是電氣、通道門(mén)、操作機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)箱的日常檢修與操作，特別是安全或解閉鎖的邏輯順序過(guò)程操作管理?？芍苯油ㄟ^(guò)系統(tǒng)操作完成包括申請(qǐng)使用、授權(quán)開(kāi)鎖、過(guò)程記錄、鎖具聯(lián)鎖等生產(chǎn)工藝、檢修作業(yè)、危險(xiǎn)點(diǎn)管控、安全管理類(lèi)業(yè)務(wù)。替代了傳統(tǒng)機(jī)械鎖具或傳統(tǒng)電器電子鎖具。

加林站智能安全鎖控系統(tǒng)通過(guò)NFC智能鎖具實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站公共設(shè)施爬梯、通道門(mén)的安全閉鎖管理，覆蓋爬梯、門(mén)、把手共計(jì)40余套，使用NFC智能掛鎖150把，系統(tǒng)通過(guò)在線(xiàn)授權(quán)進(jìn)行管控，使用1年多以來(lái)，經(jīng)歷了海邊潮濕、雨水、高溫、高鹽環(huán)境的考驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行良好。

蘇州吳中供電中心的智能安全鎖控系統(tǒng)通過(guò)NFC智能鎖具實(shí)現(xiàn)對(duì)配電環(huán)網(wǎng)柜門(mén)的安全閉鎖管理，覆蓋全區(qū)，使用NFC智能掛鎖近600把，系統(tǒng)通過(guò)在線(xiàn)授權(quán)進(jìn)行管控。運(yùn)行良好。

黃驊港煤炭樣品保密試點(diǎn)項(xiàng)目1期工程，采用150把NFC智能鎖替換原有24個(gè)車(chē)間70多組集樣器、樣品柜所采用的300多把傳統(tǒng)機(jī)械掛鎖，徹底改變了過(guò)去樣品保密管理中鑰匙滿(mǎn)天飛、管理登記無(wú)序、隨意混亂的狀態(tài)，加強(qiáng)了樣品安全管控，降低了作弊風(fēng)險(xiǎn)。使用1年多以來(lái)，經(jīng)歷了海邊潮濕、雨水、2020年超低溫寒潮的考驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行良好。

在實(shí)際使用及培訓(xùn)中，也發(fā)現(xiàn)一些需要優(yōu)化的問(wèn)題。如操作方法的問(wèn)題，目前市面上手機(jī)型號(hào)較多，且不同手機(jī)品牌對(duì)操作系統(tǒng)及NFC功耗的優(yōu)化程度不一。不同手機(jī)的信號(hào)強(qiáng)弱有一定區(qū)別。且操作人員需要了解自己的手機(jī)，確認(rèn)手機(jī)支持NFC，并確認(rèn)手機(jī)NFC的信號(hào)位置，在操作時(shí)將信號(hào)中心對(duì)準(zhǔn)鎖具中心才能進(jìn)行有效操作。目前通過(guò)使用PDA來(lái)進(jìn)行操作可以避免此問(wèn)題。典型現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖4所示。

圖4 典型現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

4 結(jié)束語(yǔ)

基于NFC近場(chǎng)通訊技術(shù)屬于最安全的通信技術(shù)之一，目前NFC功能已經(jīng)成為智能手機(jī)終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，廣泛用于讀碼、身份識(shí)別、金融支付等領(lǐng)域。NFC無(wú)源技術(shù)路線(xiàn)的智能鎖具的出現(xiàn)，改變安全鎖控管理的模式。主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）智能鎖具內(nèi)部無(wú)需電源，免維護(hù)，部署簡(jiǎn)單；（2）鎖具全封閉設(shè)計(jì)，無(wú)機(jī)械開(kāi)鎖孔，戶(hù)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；（3）移動(dòng)操作裝置通用性強(qiáng)，觸碰開(kāi)鎖，操作便捷；（4）支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，可實(shí)時(shí)交互，效率高。

結(jié)合防誤軟件授權(quán)作業(yè)管理，可自動(dòng)記錄追蹤，增加了設(shè)備運(yùn)行安全的可靠性，消除了人為安全隱患，能夠有效解決設(shè)備運(yùn)行管理安全管理方面存在的問(wèn)題，消除運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。不僅在電力領(lǐng)域，在軌道交通安全管控領(lǐng)域，可用于車(chē)輛段、供電段、機(jī)務(wù)段、工務(wù)段的特種設(shè)備安全管控，包括電氣安全管控、信號(hào)機(jī)安全管控、場(chǎng)站公共設(shè)施安全管控等。在石油化工安全管控領(lǐng)域，可用于油氣化工等高危險(xiǎn)行業(yè)，通過(guò)設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，對(duì)操作維護(hù)的安全性、邏輯系統(tǒng)、系統(tǒng)可靠性和可用度等方面實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，加強(qiáng)對(duì)管道閥門(mén)作業(yè)的安全工藝管控，能有效保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。在有安全管理，工藝邏輯管控的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。

基于NFC近場(chǎng)通訊技術(shù)為無(wú)源化，不僅符合電網(wǎng)公司物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求。能有效地滿(mǎn)足智能化管理、安全管理、數(shù)據(jù)管理、集中可視化管理的需求，同時(shí)，無(wú)源供電的技術(shù)路線(xiàn)也符合國(guó)家能源環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。相信隨著成本的不斷降低，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，基于NFC無(wú)源供電技術(shù)的防誤鎖具將不斷擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，并在防誤領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用和價(jià)值。