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(nèi)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(wǎng)；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(nèi)等 強調(diào)管理和安全，強調(diào)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(wǎng)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(wǎng)（WIFI）類等產(chǎn)品。除了生物識別 技術外，這些類別中的其他產(chǎn)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(jīng)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(wǎng)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(nèi)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(diào)整發(fā)送功率， 以實現(xiàn)電能傳輸?shù)拈]環(huán)控制。基于Qi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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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