基于电力线载波通信和供电的联网门锁系统及实现方法

刘有邦 班戈 张展昭 周文倩

新乡医学院三全学院 河南 新乡 453000

引言

随着近年来智能门锁的普及，越来越多具有联网功能的智能门锁走进人们的生活，尤其是以公寓、办公类这种需要集中管理功能的应用场景；对于公寓、办公等这种需要集中部署的联网门锁，在其功能实现、安装实施和后期维护面临着很大的工程量，且后期需要专人投入进行维护。本文在电力载波应用、智能门锁领域，具体介绍一种电力线载波通信和供电的智能门锁系统及其实现方法。

1 智能门锁目前供电方式

1.1 传统门锁供电方式

现在市场上的联网型智能门锁主要采用两种方式：一种是“无线通信+干电池供电”，另一种是“有线通信+有线供电”；“无线通信+干电池供电”方案的优势是门锁安装实施不用布线，目前行业内采用较多的无线通信方式有Zig Bee无线通信、Sub-1G频段通信、NB-IOT无线通信，其劣势有两点：一点是无线通信的抗干扰能力和网络实时性相对于有线通信方式都很差，无法保障100%的设备在线状态，第二点是电池管理工作量大且每年都需要投入电池更换费用，尤其是对于门锁安装比较多的公寓/办公场景，需要安排专人每天更换电池；“有线通信+有线供电”方案的优势是不用更换电池，减少了后期人员更换电池和电池消耗的维护成本，且通信的抗干扰和实时性相对无线通信较好；目前行业内采用的方案主要有：“POE供电和通信”、“485通信+集中供电箱供电”。这两种方案的劣势主要有两点：一是安装实施成本比较高，每层楼都需要安装一个集中供电箱或/POE交换机，而且从集中供电箱（或POE交换机）到每把锁之间都需要经过长距离布线，尤其对于老楼改造项目，需要重新部署走线管道布线，工程量大、实施成本较高；二是每个集中供电箱和POE交换机因其自身负载能力所限，其所带载的门锁设备数量较少，现场安装时需要在每层楼都需要部署一到两个，方案成本较高[1]。

1.2 电力载波通信介绍

电力载波通信集中器是电力线载波通信智能门锁系统物理网络的重要组成部分，处于电力线载波网络的中心位置，实现了对上下行通信的协议转换的作用（相当于网关），是实现智能门锁和管理平台互联互通的一个桥梁，在实现主站的载波通信功能的同时也简化了系统结构； 电力载波通信节点、作为电力线载波通信网络的子节点，上行连接集中器通过电力线载波通信，下行连接智能门锁通过总线或串口通信，起到将电力线上电的通信数据转换成智能门锁可以接收的供电电压和通信数据，为门锁供电和通信连接；智能门锁作为执行机构，保存授权客户信息，实现客户开关门、产生开门记录，并通过节点和集中器将开锁信息上传至后台管理系统； 该方案可以应用于酒店、公寓/公租房、高校/企业宿舍、办公等需要集中安装和管理的联网型智能门锁应用场景，也可以应用于家用智能门锁，甚至是智能家居系统的供电和组网应用。

1.3 采用该技术方案和现有技术相比的优点

相对于传统的有线供电方案的优点：第一该方案不需要大量长距离布线，有效降低实施成本和工程量；第二负载能力强，相对于传统交换机和485集中供电方案的每层楼都需要部署一个集中控制器来说（主要是受限于集中器的供电负载能力不足），该方案可以实现最多一栋楼只需要部署一个集中器，有条件的一个园区变压器入口部署一个集中器就可以满足整个智能门锁系统网络的应用，一个集中器最大接入的网络节点可达2000个。

2 智能门锁载波供电技术方案

2.1 实现方法

为了克服上述问题，提供一种载波通信和供电的联网门锁系统及其实现方法。采用的技术方案是：一种载波通信和供电的联网门锁系统，包括电力载波通信集中器（以下称集中器）、电力载波通信节点（以下称节点）和智能门锁。

参见图1、图2和图3，下面结合附图对方案做进一步详细介绍。提供一种联网智能门锁的组网及供电方式，包括电力载波通信集中器M10、电力载波通信节点M2和智能门锁M30；其中由集中器作为网关和各节点建立起通信网络，物理通信线路采用国网标准电力载波通信模组通过建筑/楼宇中交流220V电力线作为载体进行组网通信，同时实现为智能门锁供电。

2.2 具体实现方案

第一步，参见图1集中器，集中器由三相同发同收电力载波通信耦合模组、通信单元和控制单元组成，通信单元主要负责和智能门锁系统服务器通信进行业务数据交互，通信接口中TCP、Wi-Fi和4G/NBIOT这五种通信方式可选，使用时选择一种即可；通信单元在接收到服务器数据后通过控制单元将通信协议转换为适合电力线传输的通信协议，并通过三相电力载波通信耦合模组将数据耦合到交流220V电力线上；集中器一般安装在整栋楼宇的变压器的旁边 ，能覆盖到此变压器下所有的用电单元，或者安装在楼宇的三相总开关处覆盖整座楼的电力线入口处[2]。

图1 系统结构图

第二步，参见图2节点，子节点由单项电力线载波通信HPLC耦合模组、电源转换单元和控制单元组成；单项电力线载波通信HPLC耦合模组接收电力线上的通信数据并转交给控制单元，并通过电源转换单元转换为12~24V低压，最终通过两线12~24V总线输出给智能门锁设备；子节点安装在门最近的VC220电源接口处。

图2 电力载波通信集中器的工作原理示意图

第三步，参见图3智能门锁，智能门锁在接收到12~24V两芯总线通信后，将供电和通信数据分离为两路，一路为门锁供电，一路进行业务通信。

图3 电力载波通信节点的工作原理示意图

3 附图说明

图1是本方案的系统结构图。图2是本方案系统中电力载波通信集中器的工作原理示意图。图3是本方案系统中电力载波通信节点的工作原理示意图。

4 结束语

综上所述，相对于无线通信和电池供电方案的优点：不仅可以避免每年更换电池带来的耗材和人工成本而且于无线通信该方案的抗干扰能力较强，无线通信采用空中传输对于现场环境和部署要求较高，且空中无线干扰因素和丢包率无法做到设备100%在线状体，采用有线载波通信可以实现实时通信和100%的设备在线状态。