非接觸式無源智能物聯(lián)鎖

1、非接觸式無源智能物聯(lián)鎖摘要：本文提出了一種智能物聯(lián)鎖解決方案，包括智能鎖管理系統(tǒng)，非接觸式 被動智能鎖和電子鑰匙的開發(fā)。為解決鎖具內部狹小空間導致的供電和通信困難 問題及外部裸露接口暴露的安全問題，本文提出封閉式非接觸無源設計方案，無 線電源和無線通信模塊的組合可以通過Qi協(xié)議實現(xiàn)，可以有效防止復雜電磁環(huán)境 下的暴力解鎖。管理系統(tǒng)中使用的電子鑰匙的樹形管理結構和日志上傳功能可以 解決傳統(tǒng)鑰匙疏忽造成的安全問題。關鍵詞：無線充電；非接觸；無線通信；鎖具；聯(lián)網；安全；Qi協(xié)議；無源鎖具可以根據(jù)用途分為交通鎖，智能鎖，掛鎖和家具鎖。智能門鎖主要用于辦公室，室內等 強調管理和安全，強調管理功能和便利性

2、的場合。目前，交通鎖主要由OFO和摩拜智能自行 車鎖組成，側重于大數(shù)據(jù)管理和聯(lián)網功能。按照技術上分類則分為生物識別、卡類（接觸、 非接觸類）、密碼類、近場通信類（NFC等）、家具聯(lián)網（WIFI）類等產品。除了生物識別 技術外，這些類別中的其他產品很少。它們都使用多種技術的組合來形成一個完整的鎖定模 式，例如三合一的生物識別、IC卡和密碼模型?？梢钥闯觯裼弥悄苕i的發(fā)展方向是智能”，“便利”和安全”，但是并不適用于電力系 統(tǒng)的直接應用，主要存在以下幾個明顯問題：不同于民用行業(yè)，電力行業(yè)某些場景鎖具的使 用頻率極低，有極大可能發(fā)生鎖具失電而未能及時發(fā)現(xiàn)的情況，這在緊急情況下會造成嚴重 的后果。電力

3、行業(yè)鎖具的使用場景，經常會遇到極強的電磁干擾問題。電力行業(yè)中使用鎖具 的場所差異性較大，比如配電房、分支箱、環(huán)網柜、JP柜等對鎖具的開鎖方式，機械結構和 物理尺寸要求各不相同。1非接觸式無源智能鎖具設計無源鎖主要由RFID芯片、無線電源系統(tǒng)、開閉鎖控制系統(tǒng)組成。RFID芯片提供鎖具唯 一 ID號給電子鑰匙，然后電子鑰匙使用授權ID號進行解密運算，鎖芯密碼與鑰匙密碼比對， 完全符合才擁有開鎖權限?；趶婋姶怒h(huán)境下電路易被破壞的考慮，本發(fā)明采用非接觸式無 源設計方案。智能鎖沒有電源。它依靠電子鑰匙為鎖具提供無線電力。由于鎖芯的內部空間 有限，因此無法使用復雜的無線通信方案。同時，無線充電系統(tǒng)具有能

4、量和信號混合傳輸?shù)?特點因此，無線充電模塊和通信模塊結合在一起，通過擴展Qi協(xié)議來實現(xiàn)鎖和電子鑰匙之間 的無線通信。圖1基于Qi協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)1.1基于Qi協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸簡介如圖所示，接收器將自身的電能參數(shù)發(fā)送給發(fā)送器，然后發(fā)送器響應以調整發(fā)送功率， 以實現(xiàn)電能傳輸?shù)拈]環(huán)控制?；赒i協(xié)議的無線充電系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為七個階段，在任何 階段都嚴格控制時間。Qi協(xié)議的接收方以數(shù)據(jù)包的形式向接收方發(fā)送信息，而發(fā)送方以數(shù)據(jù) 包和響應的形式向接收方發(fā)送信息。在這兩種形式中，其中一些已經設置了每個數(shù)據(jù)包的名 稱并定義了每個數(shù)據(jù)包的含義，并使用這些數(shù)據(jù)包嚴格控制輸電過程中的工作狀態(tài)，從而確 保了

5、輸電過程的安全性；還有一些未命名的專享數(shù)據(jù)包，如果出現(xiàn)在接收器與發(fā)射器的信息 傳輸中，可自由決定數(shù)據(jù)包的解析或忽視。如果需要實現(xiàn)雙向傳輸，只需要在接收器上攜帶 一個傳感器，即可通過上述方法將傳感器收集的數(shù)據(jù)從接收器傳輸?shù)桨l(fā)送器，而無需其他通 信模塊來完成輕量級數(shù)據(jù)的收集。1.2鎖具內部充電結構鎖結構采用空轉結構。為了配合這種空轉鎖芯結構，無線充電模塊采用圓環(huán)內外嵌套式 結構。圖3空轉鎖芯結構示意圖2鎖具管理系統(tǒng)設計所有人員的開閉鎖權限均由管理軟件統(tǒng)一管理，劃分為管理員、一般人員、檢修人員、 巡視人員4類權限角色。系統(tǒng)管理員可以添加，修改和刪除用戶信息，角色權限和其他功能。 一個用戶可以同時具有

6、多個角色一個用戶可以同時具有多個角色。工作開始時，工作人員到 現(xiàn)場獲取授權，借出電子鑰匙。工作結束后，智能鑰匙上傳開鎖日志。管理員可以檢查日志 以查看是否存在任何未經授權的現(xiàn)象，并可以管理或強制用戶關閉權限。鎖具的開鎖日志都 會被記錄到電子鑰匙中并上傳到管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了所有人員的開閉鎖權限均由管理軟件統(tǒng) 一管理。圖4智能鎖具系統(tǒng)工作流程圖3電子鑰匙開發(fā)電子鑰匙內部由通信接口、電源管理系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。電源管理接 口負責電子鑰匙的內部鋰離子電池管理和被動智能鎖的無線供電功能；通信接口負責通過無 線充電模塊收集數(shù)據(jù)信息并將其轉換為串行端口信號以發(fā)送到MCU；顯示系統(tǒng)負責向操作員

7、提供交互式信息。中央控制系統(tǒng)需要完成兩個主要任務：（1）通過無線充電模塊與被動智能鎖通訊，完成認證功能；（2）通過平臺與控制系統(tǒng)通訊，上載日志數(shù)據(jù)或下載授權數(shù)據(jù)。TP4054是高精度線性單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電控制電路，非常適合那些低成本， 便攜式充電器，而鋰電池電源管理主芯片正是使用了 TP4054，。無線充電模塊包括發(fā)射器和 接收器以及包含在電子鑰匙中的發(fā)射器電路。顯示模塊采用OLED顯示屏，MCU主控芯片采 用STM32F101，STM32系列，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，在工業(yè) 控制領域得到了廣泛的應用。4結束語該系統(tǒng)由三個部分組成：無源電子鎖，電子鑰匙和管理系

8、統(tǒng)。本方案采用非接觸無源設 計方案，解決了實際生產應用環(huán)節(jié)中鎖具電源失電全問題?，F(xiàn)有許多工業(yè)領域的智能鎖具采 用接觸式無源設計方案，這種方案需要電子鑰匙和智能鎖具通過裸露在外的金屬接觸點傳輸 信息和能量，在實際生產應用中存在巨大安全隱患。在強電磁環(huán)境下，裸露的金屬觸點極易 將外部強EMC電磁沖擊引入芯片內部，造成芯片擊穿，電路失效。而且裸露的金屬觸點直接 與鎖具的電源芯片和通信芯片連接，容易被不法分子用通強電的方式對鎖具進行暴力破壞。 采用非接觸式的無源設計的鎖具可以巧妙地避免暴力解鎖問題。當然，本方案還有改進的空間，強電磁場干擾環(huán)境下的智能鎖設計仍然是需要研究的核 心問題之一。由于無線開鎖的方式更加便利，可以預見人們