基于物联网的光缆交接箱电子智能锁设计与实现

曾雄飞

（中山市基信锁芯有限公司，广东 中山 528400）

物联网相关技术的逐步成熟以及政府等部门对物联网产业的持续关注，推动了物联网时代的到来。NB-IoT作为现阶段我国物联网结构体系中的重要分支，其凭借自身在蜂窝网络结构技术和运行成本等方面的优势以及较高的商业价值，逐渐成为了物联网发展的主流。

1 文献回顾与问题分析

1.1 文献回顾

在科学技术不断发展的过程中，学术界也逐渐加大了对智能锁具的研究力度，出现了较多的研究成果，何英杰等人通过实际研究[1]，以原有光交箱为基础，对相应前端感知设备进行集成（包括智能锁、水浸传感器以及门磁/行程开关等），构建出了光交箱智能管理系统，并且通过对NB-IoT模组的应用，将相应信息及时上传至监控中心，并由监控中心向移动终端App传达相应指示、下达各项监管任务以及告知巡视人员实际的监控工作，实现了对光交箱进行全面监管的目的；当存在不良情况时，巡视人员就可以及时处理，确保其可以正常运行[2]。此外，该设计会使终端拥有大量的休眠时间，从而减少终端的功耗，延长它的使用寿命。在实际研究中，基于电源模块各元件不同的电压需求，研究人员对拓扑结构进行合理设计，智能锁休眠期间会消耗较大的电量，因此利用优化设计手段，可以有效降低智能锁的待机功耗，从而增加电池的续航时间。

通常情况下，大部分智能锁的执行元件为电机或者电磁阀，研究人员也对其进行了大量研究。如果将电机作为执行元件，会使开锁环节的电流快速增大，导致电机出现发热的情况，最终大大增加锁具的功耗。针对该问题，邱黎升等人设计出了1种离合装置[3]，该设计有效地防止了电机出现堵转的情况，并且不会在瞬间出现较大的电流；不仅延长了锁具的使用寿命，而且还降低了锁具的功耗。将电磁阀作为智能锁的执行元件也有相应的不足之处，主要是由于其受力元件为阀芯，在开锁环节电磁阀会一直处于带电状态，如果想开启锁具，就需要有相应的外力进行辅助。

对户外机柜电子锁来说，可以利用物联网管理平台对其进行远程监控，实时掌握锁具的开锁信息以及当前所处的关、开状态。其移动端采用现场可编程器件（FPGA技术），并通过蓝牙连接NB-IoT模组，不仅可以对锁具进行操作，而且还可以对电子钥匙进行授权。物联网管理平台具有开放性、实用性、安全性和高效性等特点，可以动态地适应行业需求的变化，也方便工作人员对系统进行维护。

1.2 现存问题

现阶段，在户外工作的光交箱面临以下4个问题：1）由于光交箱属于无源设备，因此不能对其实际运行状况进行监控。2） 光交箱具有资源开放以及接入规模大的特点，需要多次开展施工维护和巡检工作；因此，会涉及较多的单位和人员，该情况不利于对作业过程进行全程监管，实际工作质量也无法得到保证。3） 由于光交箱分布较为广泛，因此有较多的开锁钥匙，如果通过人工管理的方式就会存在较大的难度，且无法全面掌握所有锁的实际状态。4） 在监管方面存在的问题也使较多光交箱门锁出现损坏，并且由于存在对一些门锁管控不当而出现长时间开启的情况，也会导致光网络传输发生故障。

图1是户外光交箱锁控系统的NB-IoT模组内置干电池给智能锁供电的示意图，由于电池电量有限且更换电池的成本较高，因此对用电执行部件的功耗提出了很高的要求。智能锁在满足低成本要求的同时，还应该满足低功耗的要求；因此，需要研发出功耗低的智能锁，该智能锁将电磁阀作为执行元件，能够有效地控制成本，减少锁具的功耗[4]，并且它的控制较为简单，具备明显优势。

2 智能锁整体功能设计

设计智能锁的主要目标在于让其具有低能耗、低成本、控制简单以及触发时间短等特点。除此之外，还要确保智能锁实际开锁环节的执行元件功耗低、负载小。因此，需要保证在智能锁的开锁环节电磁阀不会有较长的通电时间，其通电时间要尽可能达到最短，锁闭机构必须自动切断回路，使电磁阀断电；同时，需要减小联动机构的运动阻力，保证它们可以精准、快速地切换。当电磁阀接到反馈指令后，就及时对其进行控制。

传统智能锁自身的闭锁机构存在一定弊端，即在实际开锁环节是将手柄锁舌与电磁阀阀芯直接接触。在该情况下，阀芯会受到一定的径向力，因为电磁阀始终处于带电状态，所以开锁时其会具备较大的瞬间电流，最高可达300 mA，该电流值远远超过电磁阀的许可电流值；同时电磁阀温度也会骤升，最终影响到正常开锁。因此，应该有针对性地设计1种新型联动机构，尽可能地减小开锁环节产生的瞬时电流。在新型联动机构中，电磁阀不再是受力元件，而是触发元件，开锁过程中会实现瞬间通电与断电，准确切换的同时其切换速度也比较快，做到了微电流开锁[5]，有效避免了出现瞬间电流过大的问题。

图2是按钮电子锁结构的示意图，图中所示状态为锁闭状态，此时锁舌头部与滑块1相连。2个滑块的尾部分别套着复位弹簧，发挥预紧的作用。手柄上方的锁芯孔内安装着锁芯组件，其余锁舌限位槽紧密套合，锁芯不转动时，就会发挥锁舌的定位作用，而锁舌则位于手柄下方的限位槽中。除此之外，该电子锁还具有主控板、扭簧、金属按钮、转轴、微动开关、塑料固定座以及基座等结构，这些结构共同组成了按钮电子锁。在各部分的协同作用下，实现锁具的功能，该结构的智能锁具有功耗小、使用寿命较长等优点。

锁芯以及应急开锁受控操作如下：如果锁具出现了异常情况，例如按下按钮但不能正常开锁，可以利用机械钥匙进行开锁；获得管理员许可后，插入机械钥匙；在插入机械钥匙时，要保证电磁阀2无电流，插入后朝顺时针方向转动锁芯，就可以完成开锁。

3 双滑块联动机构设计

在设计该智能锁的过程中，智能锁的联动机构主要是通过双滑块设计的方式来实现的，通过2个滑块的运动时差实现短时触发和复位。正常锁闭状态下，会通过电磁阀阀芯实现回缩，搭接锁舌和滑块1。该模式闭锁强度更高，同时还具备更好的防震效果。

开锁环节通过按压金属按钮，锁舌会推动2个滑块向左移动，2个滑块中的滑块1会触发开关，使电磁阀通电，待该滑块凹孔与阀芯对准后，阀芯会伸入凹孔内，从而使滑块1停止运动，触发开关过程如图3所示。

图1 锁控系统结构图

图2 按钮电子锁结构图

在复位环节，松开金属按钮后，锁舌与滑块2会向右回移；当三角形筋板经过凹孔时，阀芯头部会发生倒角，在该过程中，滑块1与锁舌已完成脱离状态，手柄处于被弹开的状态（如图4所示）；随后，滑块2会继续向右回移，在筋板斜面的作用下，阀芯会与滑块1分开，从而使滑块1向右回移；再次按下手柄，就会自动上锁。在滑块2复位的过程中，由于滑块2的上方具有直角三角形筋板的特征（如图5所示），因此在其复位环节，它的筋板会与滑块1的滑槽相互套合，当斜面与凹孔相遇时，阀芯会与筋板斜面出现相抵的情况，在筋板斜面的作用下，阀芯回缩，最终滑块1会回到原始的位置，整个开锁动作就完成了。

图3 触发微动开关

图4 滑块与锁舌复位图

图5 2个滑块的外形特征图

4 讨论

基于以上设计内容可以得出，如果想达到低功耗的目的，还需要将以下2个方面的工作作为重点：1） 需要做好误差控制的工作。确保锁舌与滑块1的行程误差值不超过0.3 mm，如果两者行程误差值过大，就会出现无法脱口的问题，从而影响正常开锁。2） 与滑块2的复位弹簧线径相比，滑块1的线径要稍小一些，主要原因是在实际开锁环节中，2个滑块存在相同的复位弹簧压缩量，在复位过程中，为了保证滑块2三角筋板的推力能够推动阀芯回缩，就要保证滑块1顺利复位，只有这样才能保证在合上手柄时实现自动上锁。

5 功耗评测及验证

图6 评测工装图

对该文设计出的智能锁进行功耗评测，与此同时，利用示波器读取相关数据，评测工装详情如图6所示，结合锁具能承受的电压的范围，对不同电压值进行加载评测，并详细记录相关数据，详情见表1。对数据进行对比分析可以得出，当加载电压为3.3 V时，电磁阀通电时间最短，仅为0.28 s，同时峰值电流为85 mA，均小于其他锁具。当加载电压逐渐提高时，阀芯动作及速度也会得到大幅提升，解决了电磁阀始终带电问题[6]，且降低了开锁的功耗。

表1 开锁数据采集表

6 结论

经评测，该设计实现了短时触发，进一步降低了系统的功耗，也提高了锁控系统的安全性，而且避免了电子钥匙出现故障时可能带来的麻烦，适用于对户外机柜的锁控管理。