光交箱智能锁低功耗双滑块联动机构设计与评测

丁凡 姚春良 姜杰

摘   要： 传统电子锁电磁阀作为受力元件时功耗过高，且开锁瞬间电流超出窄带物联网（NB-IoT）模组的许可电流，易导致元件损坏。结合NB-IoT模组承载性能，为光交箱设计一种采用低功耗双滑块联动机构的智能锁。在联动机构中，电磁阀不再作为受力元件，而是作为触发元件，开锁时瞬间通电，开锁后瞬间断电，实现微电流开锁;采用双滑块设计，严格控制行程误差和复位过程，实现短时触发。经评测，在NB-IoT模组供电电压3.3～5 V范围内，电磁阀通电时间由2 s降低至0.40 s以内，開锁峰值电流由300 mA降低至120 mA以内，提升了智能锁的使用寿命和可靠性。

关键词： 智能锁;联动机构;光交箱;短时触发;电磁阀;低功耗

中图分类号：TN925    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-028-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.006

引言

窄带物联网（NB-IoT）技术是物联网的重要分支，由传感器、网络通信及云计算三大模块组成，具有承载容量大、覆盖领域广、低成本、低功耗等特点[1-2]。目前，NB-IoT技术在接入规模、传输距离、成本、功耗等方面明显优于3G/4G、NFC、蓝牙等技术，可以实现真正的万物互联，在智能控制、远程监控等方面具有更加广阔的应用前景。

目前，光缆交接箱（以下简称“光交箱”）的应用规模成倍增长，但鉴于光交箱所处的户外环境和具有的无源特性，绝大多数光交箱锁控系统还在使用人工盯防、手工统计等模式，导致光交箱锁被撬、箱体被损坏或纤芯被非法占用后无法及时得以发现和修复，严重影响各类承载业务安全。

NB-IoT控制盒安装在光交箱内，通过有线连接控制门锁和门磁开关，NB-IoT控制盒内的传感器可以实时监测光交箱内部的温度和湿度，门体的开合状态通过门磁开关来检测。NB-IoT技术的发展为光交箱锁控系统的智能化管理提供了更好的解决途径。本文首先回顾以往文献对锁控系统的设计方案，分析各方案在光交箱锁控系统中应用的局限性;其次以电磁阀功耗为突破口，提出一种智能锁低功耗双滑块联动设计。经评测，该设计实现了短时触发，并进一步降低了系统功耗。

1  文献回顾与问题分析

1.1  文献回顾

文献[3]提出了一种光交箱智能管理系统，在原有光交箱基础上集成了门磁/行程开关、智能锁、温湿度传感器、水浸传感器等前端感知设备，利用NB-IoT模组将光交箱的各项信息实时上传到物联网平台（监控中心），监控中心通过发送短信或者给相关移动终端APP发送指示信息，告知光交箱巡视人员及时对光交箱实施实时全面的监控管理。

使终端在大部分时间处于休眠模式，可极大程度上降低功耗。文献[3]设计了3种低功耗模式：睡眠模式、停止模式和待机模式。系统大部分时间处于停止模式，极大地降低了NB-IoT模组及外围电路的功耗。文献[4-5]从电源管理设计、低功耗软件设计、启动电路设计及单片机软件设计等方面，采用最优设计理念来降低锁具的功耗。电源模块采用独立降压方式，针对各元件的不同电压需求，设计了合理的拓扑结构。智能锁大部分时间处于锁闭状态，休眠期间的功耗占整体电量消耗的比例较大，所以通过软件设计降低待机功耗，以延长电池使用寿命。单片机ATmega8在开始阶段进行初始化处理，之后关闭非接触式模块进入省电模式，节省电量。

智能锁大多采用电磁阀或电机作为执行元件。文献[6]介绍了一种触发式电磁阀开锁机构，用磁卡触发干簧管，从而控制电磁阀的通断，较好地实现了低功耗开启锁具的功能。若采用电机作为执行元件，则电机的过位堵转会造成开锁过程中电流瞬间增大，使得电机发热，功耗增加。文献[7]设计的一种离合装置巧妙地避开了电机堵转问题，其使得电机空转、没有负载时不会产生瞬时尖峰电流，实现了降低锁具功耗的目的。但采用电磁阀作为执行元件也存在一定的问题，这是因为电磁阀的阀芯通常作为受力元件，开锁过程中，电磁阀始终带电，必须采用外力辅助阀芯卸载，才能完成锁具开启。

户外机柜的电子锁可接入物联网管理平台，远程监控锁具的实时状态和开锁信息。移动端采用了FPGA技术[6]，通过蓝牙连接NB-IoT模组，不仅可以对锁具执行相关操作，也可以对电子钥匙进行授权。物联网管理平台具有实用性、开放性、安全性、高效性和易维护性等特点，动态地适应行业需求的变化，便于系统维护和二次开发。软件系统功能一般包括：电子地图、系统管理、报警管理、接入平台移动APP等。

1.2  问题分析

目前，光交箱在户外工作环境下存在以下问题：

（1）光交箱为无源设备，无法受到有效监控;

（2）光交箱接入规模大且资源开放，内外部施工维护巡检频繁，涉及单位和人员众多且流动性大，无法使作业过程实现全程监管和完全覆盖;

（3）光交箱分布广泛，对于大量开锁钥匙，人工管理困难，不能及时获知光交箱锁状态;

（4）由于监管困难，大多数光交箱的门锁遭到破坏，或门锁常年处于开启状态而无人问津，造成光网络的传输故障。

光交箱锁控系统（如图1）的NB-IoT模组内置干电池给智能锁供电，因电池电量有限以及更换电池的人工维护成本较高，对用电执行部件的功耗提出了很高的要求。作为控制末端的智能锁，要满足低功耗、低成本的要求，因此迫切需要开发一种低功耗的智能锁，其采用电磁阀作为执行元件，不需要位置检测判断，控制简单、节省成本，而且设计的锁闭机构需能够实现短时触发、瞬间开锁的功能。

2 智能锁整体功能设计

智能锁的整体设计目标是控制简单、触发时间短、功耗低和成本低。此外，要求执行元件电磁阀在开锁过程中负载小、功耗低。因此，开锁时电磁阀的触发通电时间必须很短，锁闭机构必须自动切断回路，使电磁阀断电。同时，需要联动机构运动阻力小，切换快速、准确。电磁阀接到反馈指令后，及时、精准实现控制。对于常规的智能锁，在开锁过程中，电磁阀作为受力元件一直带电吸合，同时阀芯轴承受较大的径向载荷，导致电磁阀线圈发热易损坏，甚至导致电磁阀失效，无法打开锁具。

传统智能锁的锁闭机构在开锁过程中将电磁阀阀芯直接搭接手柄锁舌上。阀芯承受径向力的作用，由于电磁阀一直带电，因此开锁瞬间电流达到300 mA左右，超出了NB-IoT模组的许可电流，且加大了电磁阀发热量，导致后台控制器无法开锁。所以，需要设计一种联动机构，降低开锁过程中的瞬时电流。应用该机构后，电磁阀不作为受力元件，只作为触发元件，开锁时瞬间通电，开锁后瞬间断电，快速、准确切换，实现微电流开锁，兼以提高可靠性。

具有联动机构的按钮电子锁结构如图2所示。此为锁闭状态，在此状态下，滑块1与锁舌头部搭接在一起。滑块1和滑块2的尾部圆柱轴上套合复位弹簧1和弹簧2，起到滑块与锁舌搭接的预紧作用。锁舌安装在手柄尾部下方两侧对称的限位槽内。机械锁芯组件安装在手柄上方的锁芯孔内，锁芯尾端的凸轮轴套合在锁舌前部正上方的L型限位槽内，在锁芯不转动的情况下实现锁舌的定位。锁舌中部结构与手柄按钮孔位下方放置弹簧3，用于锁舌的反向移位驱动。基座尾部放置电磁阀2，在正常状态下，阀芯处于缩回状态，电磁阀2由后台控制器发送指令独立控制，实现阀芯的伸出和回缩。

应急开锁和锁芯受控操作：在锁具异常状态下，按下按钮无法实现开锁，可通过机械钥匙开锁。在管理员许可的状态下，在电磁阀2处于断电状态时插入机械钥匙，顺时针转动锁芯，锁芯下方凸轮轴脱离锁舌的L型限位槽，锁舌在复位弹簧的作用下反向移动，锁舌头部与滑块搭接部分脱离，手柄弹开，实现开锁。

3 双滑块联动机构设计

联动机构采用双滑块设计，通过两个滑块的运动时差实现短时触发和复位。正常锁闭状态由电磁阀阀芯回缩，依靠滑块1与锁舌搭接实现。锁闭强度比阀芯直接搭接锁舌效果好，且防震效果更好。

在开锁过程中，按压金属按钮，锁舌推动滑块1和滑块2左移，直至滑块1的尾端圆柱轴触发微动开关。电磁阀得电，滑块1上方凹孔对准阀芯，阀芯伸出，滑块1停止移动。图3所示为按压按钮触发微动开关示意图。

在复位过程中，金属按钮松开，滑块2和锁舌右退复位。当三角形筋板通过凹孔时，刚接触阀芯的头部发生倒角，此时锁舌与滑块1已经脱离，手柄已经弹开，如图4所示。接着，滑块2继续复位，筋板斜面将电磁阀1的阀芯顶退，阀芯脱离凹槽，滑块1复位。再次按下手柄，实现自动上锁。

在滑块2复位的过程中，因为滑块2的上方有直角三角形筋板特征（如图5所示的外形特征），所以筋板套合在滑块1的上表面一字槽内，三角形的斜面朝向复位方向。当斜面经过凹孔時，筋板斜面与电磁阀1的阀芯端部刚好相抵（此时锁舌与滑块1的头部已脱离），促使阀芯回缩，此时滑块1在复位弹簧1的作用下恢复至起始位置。至此，联动机构开锁动作全部完成。

4 讨论

从第2章和第3章的开锁设计来看，要实现低功耗下的智能开锁，必须注意以下两点：

（1）对于金属按钮下移推动锁舌的行程，以及滑块1的后退行程，必须严格控制误差。误差值不能超过滑块1的凹孔单边余量，经过反复实验，误差值应控制在0.3 mm内，否则会导致锁舌与滑块1搭接部分无法脱扣，进而导致无法开锁。

（2）滑块1的复位弹簧的线径要略小于滑块2的复位弹簧的线径。这是因为在开锁过程中，滑块1和滑块2的复位弹簧的压缩量相同，为了保证滑块2在复位过程中，三角筋板的推力能够推动阀芯回缩，必须保证滑块1顺利复位，只有这样才能在合上手柄时实现自动上锁。

5 功耗评测与验证

对采用双滑块联动机构的智能锁进行开锁评测，通过示波器读取相关数据，如图6所示。根据NB-IoT模组给锁具供电电压的范围（3.3～5 V），加载不同电压值，统计开锁峰值电流和电磁阀通电时间的数据，如表1所示。通过数据对比可知，当锁具采用3.3 V的最低加载电压时，开锁峰值电流为85 mA，电磁阀通电时间只有0.28 s（见图7抓取的数据），远小于传统智能锁具开锁电流（300 mA）和开锁带电时间（2 s）。如表1所示，随着加载电压的提高，电磁阀阀芯的动作力度和速度同步增大，切换更迅速准确，基本实现了短时触发、低功耗的开锁、解锁要求，克服了传统电子锁开锁过程中电磁阀需要一直带电的缺点。

6 结论

（1）双滑块联动机构突破了传统电子锁电磁阀作为受力元件时功耗过高的瓶颈，将电磁阀作为继电器来使用控制机构状态的切换，大大降低了智能锁的功耗，降低了生产成本;

（2）本文设计的联动机构融合了机械锁芯受控功能，不仅解决了机械钥匙安全性低的问题，而且避免了电子钥匙出现故障时可能带来的麻烦，特别适用于户外机柜的锁控管理。

参考文献

[1] 何英杰， 杨书华， 孙涵， 等. 基于NB-IoT的低功耗智能光交箱门控系统设计[J]. 无线互联科技， 2019， 16（4）： 19-20.

[2] 晋玉剑， 吴昌， 张俊强， 等. 基于NB-IoT和蓝牙技术的智能门控系统设计[J]. 科技视界， 2020（11）： 36-38.

[3] 王炼红， 陈颖. 用于智能锁的超低功耗系统的设计与应用[J]. 湖南大学学报（自然科学版）， 2018， 45（8）： 119-125.

[4] 王丽君， 李萌. 新型超低功耗电子密码锁设计[J]. 电子设计工程， 2017， 25（15）： 145-147.

[5] 曹继承， 郭建强， 尹鹏， 等. 基于MCU的超低功耗电子密码锁设计[J]. 自动化技术与应用， 2014， 33（7）： 39-42.

[6] 马达. 磁性锁具设计制作及其应用[J]. 磁性材料及器件， 1996， 27（3）： 24-27.

[7] 邱黎升. 一种智能电子锁的离合装置设计[J]. 机电技术， 2018（4）： 18-20.

作者简介：

丁凡（1986—），通信作者，男，硕士，机械工程师。研究方向：机械设计制造及其自动化。

E-mail： ding3fan@163.com

（收稿日期：2020-08-19）