非接触式无源智能物联锁

1、非接触式无源智能物联锁摘要：本文提出了一种智能物联锁解决方案，包括智能锁管理系统，非接触式 被动智能锁和电子钥匙的开发。为解决锁具内部狭小空间导致的供电和通信困难 问题及外部裸露接口暴露的安全问题，本文提出封闭式非接触无源设计方案，无 线电源和无线通信模块的组合可以通过Qi协议实现，可以有效防止复杂电磁环境 下的暴力解锁。管理系统中使用的电子钥匙的树形管理结构和日志上传功能可以 解决传统钥匙疏忽造成的安全问题。关键词：无线充电；非接触；无线通信；锁具；联网；安全；Qi协议；无源锁具可以根据用途分为交通锁，智能锁，挂锁和家具锁。智能门锁主要用于办公室，室内等 强调管理和安全，强调管理功能和便利性

2、的场合。目前，交通锁主要由OFO和摩拜智能自行 车锁组成，侧重于大数据管理和联网功能。按照技术上分类则分为生物识别、卡类（接触、 非接触类）、密码类、近场通信类（NFC等）、家具联网（WIFI）类等产品。除了生物识别 技术外，这些类别中的其他产品很少。它们都使用多种技术的组合来形成一个完整的锁定模 式，例如三合一的生物识别、IC卡和密码模型。可以看出，民用智能锁的发展方向是智能”，“便利”和安全”，但是并不适用于电力系 统的直接应用，主要存在以下几个明显问题：不同于民用行业，电力行业某些场景锁具的使 用频率极低，有极大可能发生锁具失电而未能及时发现的情况，这在紧急情况下会造成严重 的后果。电力

3、行业锁具的使用场景，经常会遇到极强的电磁干扰问题。电力行业中使用锁具 的场所差异性较大，比如配电房、分支箱、环网柜、JP柜等对锁具的开锁方式，机械结构和 物理尺寸要求各不相同。1非接触式无源智能锁具设计无源锁主要由RFID芯片、无线电源系统、开闭锁控制系统组成。RFID芯片提供锁具唯 一 ID号给电子钥匙，然后电子钥匙使用授权ID号进行解密运算，锁芯密码与钥匙密码比对， 完全符合才拥有开锁权限。基于强电磁环境下电路易被破坏的考虑，本发明采用非接触式无 源设计方案。智能锁没有电源。它依靠电子钥匙为锁具提供无线电力。由于锁芯的内部空间 有限，因此无法使用复杂的无线通信方案。同时，无线充电系统具有能

4、量和信号混合传输的 特点因此，无线充电模块和通信模块结合在一起，通过扩展Qi协议来实现锁和电子钥匙之间 的无线通信。图1基于Qi协议的无线数据传输系统1.1基于Qi协议的无线数据传输简介如图所示，接收器将自身的电能参数发送给发送器，然后发送器响应以调整发送功率， 以实现电能传输的闭环控制。基于Qi协议的无线充电系统的工作状态分为七个阶段，在任何 阶段都严格控制时间。Qi协议的接收方以数据包的形式向接收方发送信息，而发送方以数据 包和响应的形式向接收方发送信息。在这两种形式中，其中一些已经设置了每个数据包的名 称并定义了每个数据包的含义，并使用这些数据包严格控制输电过程中的工作状态，从而确 保了

5、输电过程的安全性；还有一些未命名的专享数据包，如果出现在接收器与发射器的信息 传输中，可自由决定数据包的解析或忽视。如果需要实现双向传输，只需要在接收器上携带 一个传感器，即可通过上述方法将传感器收集的数据从接收器传输到发送器，而无需其他通 信模块来完成轻量级数据的收集。1.2锁具内部充电结构锁结构采用空转结构。为了配合这种空转锁芯结构，无线充电模块采用圆环内外嵌套式 结构。图3空转锁芯结构示意图2锁具管理系统设计所有人员的开闭锁权限均由管理软件统一管理，划分为管理员、一般人员、检修人员、 巡视人员4类权限角色。系统管理员可以添加，修改和删除用户信息，角色权限和其他功能。 一个用户可以同时具有

6、多个角色一个用户可以同时具有多个角色。工作开始时，工作人员到 现场获取授权，借出电子钥匙。工作结束后，智能钥匙上传开锁日志。管理员可以检查日志 以查看是否存在任何未经授权的现象，并可以管理或强制用户关闭权限。锁具的开锁日志都 会被记录到电子钥匙中并上传到管理系统中，实现了所有人员的开闭锁权限均由管理软件统 一管理。图4智能锁具系统工作流程图3电子钥匙开发电子钥匙内部由通信接口、电源管理系统、中央控制系统和显示系统组成。电源管理接 口负责电子钥匙的内部锂离子电池管理和被动智能锁的无线供电功能；通信接口负责通过无 线充电模块收集数据信息并将其转换为串行端口信号以发送到MCU；显示系统负责向操作员

7、提供交互式信息。中央控制系统需要完成两个主要任务：（1）通过无线充电模块与被动智能锁通讯，完成认证功能；（2）通过平台与控制系统通讯，上载日志数据或下载授权数据。TP4054是高精度线性单节锂离子或锂聚合物电池充电控制电路，非常适合那些低成本， 便携式充电器，而锂电池电源管理主芯片正是使用了 TP4054，。无线充电模块包括发射器和 接收器以及包含在电子钥匙中的发射器电路。显示模块采用OLED显示屏，MCU主控芯片采 用STM32F101，STM32系列，专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，在工业 控制领域得到了广泛的应用。4结束语该系统由三个部分组成：无源电子锁，电子钥匙和管理系

8、统。本方案采用非接触无源设 计方案，解决了实际生产应用环节中锁具电源失电全问题。现有许多工业领域的智能锁具采 用接触式无源设计方案，这种方案需要电子钥匙和智能锁具通过裸露在外的金属接触点传输 信息和能量，在实际生产应用中存在巨大安全隐患。在强电磁环境下，裸露的金属触点极易 将外部强EMC电磁冲击引入芯片内部，造成芯片击穿，电路失效。而且裸露的金属触点直接 与锁具的电源芯片和通信芯片连接，容易被不法分子用通强电的方式对锁具进行暴力破坏。 采用非接触式的无源设计的锁具可以巧妙地避免暴力解锁问题。当然，本方案还有改进的空间，强电磁场干扰环境下的智能锁设计仍然是需要研究的核 心问题之一。由于无线开锁的方式更加便利，可以预见人们