基于NB-IoT技术的配电网智能锁管理系统研究

刘 霞 孙世菊

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

随着人们的生活水平不断提高，人们的用电需求与日俱增，促使供电系统随之迅速发展。配电网的设备多采用机械锁，与之对应的钥匙数量和种类繁多。在使用过程中，钥匙管理复杂，借还效率低，丢失与盗配问题严重，且锁具易损坏，每年都需要更换锁具和钥匙，隐形成本高[1]。为便于开锁，有些配电网设备采用通用钥匙，导致设备使用不当或被非法破坏时无法根据开锁人追溯责任。配电网设备运行要求比较高，为了保障运行安全，运行过程中要定期巡查，以便及时发现问题。因此，如何保证运行维护人员巡查到位，当发生重大事故时如何做到在管理上追溯到人，成为迫切需要解决的问题。

因为运维人员有限，所以急需一种高效的管理系统，以解决钥匙管理难、临时授权难、开锁过程追踪难、运维巡检跟踪难等问题，从而实现智能开锁，并能记录开锁信息。另外，由于户外配电网设备数量多、分布广，而且大都是无源设备，若专门为其安装门禁系统，采用单独布线的数据传输方式，成本费用较高且施工有难度[2]。门禁如果采用无线设备，那么后期还需要维护，费用较高。

随着物联网技术的发展，特别是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术的出现和应用，降低了无线方案的成本。采用NB-IoT技术的智能锁管理系统，通过授权钥匙或授权移动App就可以打开相应的配电网设备，从而简化钥匙管理程序，解决钥匙管理难题。工作人员使用时需要绑定人员身份，控制不同工作人员的开闭锁权限，并记录所有的操作[3-5]。这种方式有记录和管理功能，可追溯和管理使用人员。

1 系统方案

智能锁管理系统结构图如图1所示。该系统由无源电子锁具、智能钥匙、手机以及管理平台等几部分组成，利用无线网络技术、计算机控制技术、物联网通信技术进行通信，从而实现钥匙授权、钥匙开锁和信息记录等功能。

首先，要在配电现场安装各种无源电子锁具，管理平台可以对锁具信息进行记录，如锁具的位置等，同时通过软件对人员进行管理，对不同的人员、不同的时间赋予不同的权限，从而实现权限管理。其次，工作人员可以用手机App获取自己的授权，利用蓝牙功能与智能钥匙匹配连接并进行通信，从而将智能钥匙连接到无源电子锁具实现开锁功能[6-7]。再次，管理平台可以利用适配器实现与智能钥匙的直接通信，将智能钥匙与电子锁匹配连接实现开锁功能，也可以通过物联网直接控制电子锁具实现开锁功能。最后，系统有多种开锁方式，满足了配电网设备的不同开锁需求，而且能够自动记录工作人员的操作日志。管理人员在管理平台可以查看相关记录，实现了设备使用的追溯管理。

2 无源电子锁具

配电网设备数量很多，且分布很广，而且大都是无源的设备。若配备外接电源或者采用电池供电方式，会存在布线复杂、成本高、需要定期更换电池等问题，因此无源的电子锁具成为了配电网的必要设备[8]。

机械锁的锁芯结构简单，只要钥匙与锁芯匹配就能打开锁具。开锁方式相对容易，安全性较低。电子锁内部包括电磁铁、锁体以及电子电路，通过电路进行控制，开锁操作简单。但电子锁掉电后，锁具会处于开锁状态，会存在一定的安全风险。无源电子锁具集成了普通机械锁与电子锁的特点，一般由锁芯和锁体组成，其中锁体无需电源，而且锁芯是智能电子锁芯。掉电的状态下，无源电子锁具是常闭的，避免了掉电开锁的安全隐患。

无源电子锁具由中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、外围电路、近距离无线通信技术（Near Field Communication，NFC）芯片、驱动电路及外部存储器电路等组成。其中：NFC芯片用来进行蓝牙通信；CPU是核心控制单元，能够与外围电路一起实现控制及数据处理等功能；外部存储电路能够实现开锁事件的信息记录功能；驱动电路负责执行开锁功能。其组成框图如图2所示。

每个无源电子锁都有ID编码，且这个ID是唯一的，可以保证钥匙的可靠性。锁具外壳使用高性能的合金材料。锁芯芯片是全封闭的，可以防水防腐蚀，以保证锁具的稳定运行。另外，锁具的无源化使得锁具结构的复杂度降低，且锁体没有电源，节省了电池成本以及电池更换带来的维护工作量，提高了锁体的可靠性[9]。

3 智能钥匙

智能钥匙主要由CPU、外围电路、NFC芯片、时钟电路、外部存储器电路以及电池充电电路等组成。

其中：NFC芯片能够用来实现智能钥匙与管理平台及手机App的无线通信；CPU是微控制单元；存储电路能存储电子锁具信息和人员的操作权限；电池充电电路能为智能钥匙提供电源。

通过蓝牙连接的方式，管理人员可以利用管理系统或者手机App对智能钥匙进行信息授权管理，如工作人员的基本信息、开锁的权限及时间等。当工作人员将智能钥匙插入无源电子锁具时，由智能钥匙中的电池给整个锁具系统供电，由电子锁具中的控制电路启动工作并进行动态密钥验证。密钥验证匹配成功，锁具才能打开，同时电子钥匙记录操作日志。密钥验证不匹配，锁具不会被打开，同时对无源电子锁实时监测并将信息保存下来，以便日后查询。

4 管理平台

系统管理平台由计算机、管理软件、读卡器、发卡器、通信模块、智能钥匙存放仓以及充电适配器等部件组成，可以实现资产管理、用户管理、授权管理、运营管理和数据导入导出等功能。

4.1 集中资产管理

工作人员可以在管理软件中记录锁具等资产的信息，也可以利用管理软件拓扑图直观地展现资产的位置，以便于资产管理。

4.2 集中授权管理

在管理平台的管理软件中能够建立系统的管理员及权限，同时可以建立作业人员信息以及智能钥匙信息，并将作业人员与智能钥匙进行绑定。在软件中确定好作业人员的开锁权限，同时把这些授权信息下载到电子钥匙中，能够实现不同人员不同权限的管理，并且可以实时查看和改变作业人员授权情况。

4.3 集中运营管理

作业人员到达现场后，将智能钥匙插入无源电子锁中的同时，智能钥匙开始工作并给无源电子锁供电。此时，电子锁中的控制电路启动，并进行密钥验证。如果验证匹配，转动钥匙即可打开锁具；如果不匹配，转动钥匙无法打开锁具。同时，智能钥匙将会记录下整个开锁的日志，并上传到管理平台中存储下来。管理人员可以根据需要随时查看日志情况，以确认作业人员的工作情况，做到人员和工作过程的可追溯管理。

4.4 数据导入导出

管理平台具有完整的数据库，可以保存操作日志，也可以进行数据的导入导出，从而为其他电力系统提供数据调度，为实现数据一体化整合提供支持。

5 NB-IoT技术

NB-IoT又被称作低功耗广域网（Low-Power Wide-Area，LPWA），即基于蜂窝的窄带物联网。它是一种窄带射频技术，是专为物联网设计的万物互联网络的一个分支。

物联网应用主要是指应用Wi-Fi和蓝牙技术，数据准确率不高，且耗电量比较大。广域物联网可以使用光纤，但需要高宽带终端。当使用NB-IoT构建蜂窝网络时，只需很少的带宽（大约180 kHz），且部署方便，可直接用于通用移动通信系统网络、全球移动通信系统网络或通用移动通信技术的长期演进网络，具有广域网、低功耗、连接多、成本低和信号强的特点，目前已在许多领域得到应用，为物联网提供了广阔的发展前景。

6 结语

目前，配电网存在门锁钥匙管理困难、人员追溯困难等问题，而智能门锁管理系统采用NB-IoT技术组网，将物联网技术与智能锁具结合，实现了多种方式智能钥匙开锁、运维日志保存、人员可追溯等功能，能够使配电网设备系统更加安全，且有效提高了工作人员的日常工作效率。该系统运行稳定可靠，使用安全方便，满足了配电网的使用需求。