可无线充电远程控制的智能门锁

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

门锁是人们生活中不可缺少的工具，是家居与财产的忠实卫士。目前智能门锁按照识别方式大致分为磁卡识别、IC 卡识别、生物识别3类。这些锁具存在以下几个问题。首先，智能门锁采用电池供电，需定期更换电池;其次，锁具无法进行远程的监控。采用无线充电技术可以解决电池定期更换的问题。目前无线供电的传输方式主要有电磁耦合，电磁耦合谐振，微波与激光传输[1]。电磁耦合方式的传输距离只有毫米级，应用场景需要紧贴合，对门锁的安装要求太高。微波与激光的传输功率过小而且价格相对较高，不适合在普通的门锁中使用。电磁耦合谐振的传输距离可以达到米级，而且传输功率可以达几十瓦[2]，这样设计安装时不会要求太高而且传输的功率足够，符合门锁无线电能传输的要求。本文采用物联网技术和电磁耦合谐振技术，提出了无线充电远程控制智能门锁[3]。首先通过无线电能传输技术给内置锂电池供电，从而解决了更换电池的烦恼。其次通过WiFi与射频网络实现智能终端(手机等)对门锁的远程监控。

1 智能门锁系统

智能门锁系统按功能可分为无线控制部分、无线供电部分和锁具部分。按具体物理设备可分为终端设备、集中控制器、门锁、无线充电的发射模块。系统结构如图1所示。

图1中，集中控制器包含WiFi 模块和射频模块，门锁包含无线充电的接收电路、射频电路与锁具。其中锁具由他人设计。

无线控制功能由终端设备、集中控制器与门锁中的射频模块实现。当终端设备发出命令后，通过第一层网络发送给集中控制器的WiFi 模块，然后通过其内部射频模块发送给门锁中的射频模块，门锁根据命令完成相应的动作。当门锁处于非正常状态时主动发送警告信息。警告信息原路返回给终端设备从而通知用户，让用户依此做出相应处理。

无线充电功能由无线充电发射模块与门锁中无线充电接收模块组成。无线充电发射部分通过电磁耦合谐振与门锁中的接收部分形成强电磁耦合，完成能量的传输。接收部分把接收到的电能给内置锂电池充电。

1.1 无线控制

无线控制网络中，第一层是终端设备与集中控制器通信;第二层是集中控制器与底层设备通信[4]。网络结构如图2所示。第一层中有两条通信途径，分别为互联网通信和WiFi 通信。第二层只有一条通信路径即射频网络通信。

图1 智能门锁系统结构图

图2 无线网络结构图

互联网通信就是终端设备通过WiFi 网络直接与集中控制器通信。当集中控制器没有连接到外部路由器时，它本身会铺设一个WiFi 网络，并提供一个固定的socket 端口号供外部设备连接。当外部设备连接后即可控制门锁。这个途径并不常用，因为WiFi 通信的距离有限，在此途径中并未实现真正的远程控制，是在特殊情况下的应急处理。

WiFi 通信就是集中控制器通过其内部的WiFi 模块连接到外部路由器。只要路由器连接到互联网，集中控制器就可借此连接到远端的服务器。这时终端设备的通信对象也是服务器。终端设备发送控制命令到服务器，服务器根据命令地址将其转发到相应的集中控制器。集中控制器将接收到的命令简单处理后通过内部的射频模块发送给底层的门锁。此途径是常用的途径。由于目前大部分手机都可以上网，因此可以随时随地发送命令到服务器，所以在这种模式下，真正实现了门锁的远程控制。

射频网络通信就是集中控制器与底层门锁的通信，通信载体是433 MHz 射频网络。集中控制器把从第一层接收来的命令处理后通过射频模块发送给门锁。门锁根据命令做出相应的动作。当门锁处于非正常状态时(例如意外开启)也会通过自身射频模块发送警告信息给集中控制器，集中控制器把此信息原路返回给终端设备，以此来提醒用户。

1.2 无线充电

根据麦克斯韦磁场理论:变化的磁场与电场可以相互产生。任何电磁场都可以分为以感应为主的近场区和以辐射为主的远场区。在近场区内，电磁场的强度要比远场区大的多。而且近场区内，电磁场的能量在辐射源内部和它周围空间来回流动而不向外发射[5]。电磁耦合谐振正是利用近场区作为能量的传输媒介。

图3 无线充电结构图

电磁耦合谐振的简化模型如图3所示。L1，C1与L2，C2是固有谐振频率都为fs的振荡器。信号源提供驱动频率为fk。当fk与fs相同时，L1，C1组成的振荡电路达到自谐振状态，向外辐射频率为fs的交变电磁场，而此时电磁场振荡强度最大。接收端是由L2，C2组成的振荡电路，它的自谐振频率也是fs。把接收端放入发射端周围的交变磁场中，接收端就会产生谐振。此时发射端振荡电路与接收端振荡电路形成强磁耦合，从而实现能量无线传输。接收端通过高频整流电路把接收到的能量转为直流输出，并存储在锂电池中。

2 系统仿真

在无线能量传输中，距离对传输效率有重要影响。实验环境中，发射端输入电压为12 V，接收电路输出电压为5 V，接收电路中接1 kΩ 电阻作为负载。不同距离下传输效率如表1所示。

从表1可以看出，2 cm的距离是带负载能力的分界点。当距离大于2 cm以后，随着距离增大带负载能力减小。当距离增加到3.5 cm时已经没有输出。

远程控制仿真中，终端设备是运行iOS7系统的手机，其中控制界面如图4所示。正常状态下，设备状态为在网，当不在网时所有操作都不能执行。在网时，点击开或关时，门锁会执行相应的动作。当门锁处于非正常状态时，会收到报警信息。

表1 距离对传输效率的影响

图4 手机端控制界面

3 结束语

虽然远程控制在智能家居中较为常见，但是射频网络却较少应用在智能家居中。由于射频通信的穿透性强，因此它更适合应用在大型建筑中。本文把智能家居中的远程控制系统移植到门锁上，通过手机等设备可以实现门锁的远程控制。本系统不仅可以应用在家庭中的单个防盗门，而且还可以把多个门锁组网应用到企业或单位中的仓库、办公室等其他重要地方。同时应用无线充电技术实现了远程充电，避免了更换电池的麻烦。通过实验验证了本方案的可行性，满足智能门锁的功能。

[1]骆彦廷，杨拥民，陈仲生.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模与分析[J].中国集成电路，2013，22(8):46-51.

[2]黄辉，黄学良，谭林林，等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术，2011，30(1):32-35.

[3]高建华，胡振宇.物联网技术在智能建筑中的应用[J].建筑技术，2013，44(2):136-137.

[4]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33(3):1-9.

[5]任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009:9-12.