一種機電雙重認證電子鎖頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

高靜遠

（珠海優(yōu)特物聯(lián)科技有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

鎖具是人類生活中不可或缺的機械裝置［1］。經(jīng)過不斷發(fā)展，鎖具已經(jīng)演變成種類繁多、結(jié)構(gòu)精密的產(chǎn)品，如彈子鎖、葉片鎖等［2］。盡管對鎖的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量進行改進和提高，但通過技術(shù)開鎖的犯罪案件時有發(fā)生［3］。因此有必要對鎖具進行新的設(shè)計，提升防技術(shù)開啟能力。本文闡述一種電子鎖頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，可實現(xiàn)機電雙重認證，有效提高鎖頭的防技術(shù)開啟能力。

1 電子鎖頭開鎖流程設(shè)計

機電雙重認證電子鎖頭的開鎖流程設(shè)計如圖1 所示。

圖1 機電雙重認證電子鎖頭的開鎖流程

2 鎖頭及鑰匙結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于圖1 的開鎖流程，按DIN 18252－2018 規(guī)定的葫蘆形鎖頭橫截面尺寸規(guī)格設(shè)計產(chǎn)品。在有限空間內(nèi)，實現(xiàn)流程所需要的功能是設(shè)計的重點。下面分別對鎖頭和鑰匙的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開闡述。

2.1 鎖頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

鎖頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以細分為機械鎖點設(shè)計、接觸式讀碼結(jié)構(gòu)設(shè)計、電控鎖點設(shè)計。

2.1.1 機械鎖點設(shè)計

機械鎖頭按鎖定結(jié)構(gòu)件的形狀大致可劃分為葉片鎖頭和彈子鎖頭。本文的機械鎖點采用空間利用率更高的葉片鎖定形式。如圖2～3 所示，葉片共設(shè)計12 個，其中內(nèi)軌道葉片8 個，外軌道葉片4 個。為降低鎖膽制造精度要求，每3 個葉片為1 組，放置在鎖膽的葉片槽內(nèi)，沿軸線方向分布在鎖膽內(nèi)。每組有2個內(nèi)軌道葉片和1 個外軌道葉片。內(nèi)軌道葉片牙花3 個級差，外軌道葉片2 個級差，葉片牙花相鄰兩個級差的差異量為0.7 mm。

圖2 機電雙重認證電子鎖頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 內(nèi)、外軌道葉片

按GA／T 73－2015《機械防盜鎖》要求，鎖頭可分A、B、C三個安全級別，其中C 級最高。C 級葉片鎖頭的牙花差異交換數(shù)為2，即任意兩個鎖頭的牙花編碼須有2 個對應位置的牙花不同，因此本鎖頭的理論密鑰量：

式中：ai為牙花級差數(shù)；ni為葉片數(shù)；b為差異交換數(shù)。

2.1.2 接觸式讀碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

穩(wěn)定可靠的讀碼是實現(xiàn)電控開閉鎖的前提條件。如圖2 所示，讀碼是通過鎖栓探針、讀碼探針和讀碼頭實現(xiàn)。鎖栓探針由主控板供電，鎖頭與主控板的GND（信號地）通過螺釘連接。鎖栓探針與鎖栓接觸（閉鎖）時，探針與主控板GND 導通，為低電平；鎖栓探針與鎖栓分離（解鎖）時，探針與主控板GND不再導通，為高電平。因此，在機械鎖點解開后，主控芯片通過檢測鎖栓探針的電平由低變高，獲知當前插入的鑰匙牙花正確的這個信息。鑰匙的插入和拔出，鑰匙牙花軌道槽會驅(qū)動葉片左右運動，葉片在運動過程中會產(chǎn)生振動，振動會傳遞給鎖栓，造成鎖栓上下晃動；另外由于鎖頭牙花編碼排列的隨機性，會有概率出現(xiàn)鑰匙插入過程中鎖膽前段的葉片V 形缺口在某一瞬間出現(xiàn)連成一線的情況。當探針只設(shè)置一根時，上述兩個因素，會使得鎖栓在鎖栓復位彈簧作用下與鎖栓探針分離，從而鎖栓探針由低電平變?yōu)楦唠娖健Ｖ骺匦酒瑫`判鑰匙已經(jīng)插入到位，實際上鑰匙只是插入一段。按照開鎖流程，主控芯片誤判后會進行讀碼，而此時由于鑰匙尚未真正插入到位，就會讀取到一個錯誤碼值，進而導致合法鑰匙碼值讀取失敗。因此，讀碼結(jié)構(gòu)上采用雙鎖栓探針的方法，如圖4 所示，在鎖栓的前后位置各布置一根探針，消除信號的抖動。實際測試發(fā)現(xiàn)，雙探針方案明顯優(yōu)于單探針方案，能有效消除信號抖動。

圖4 雙鎖栓探針

在獲得合法鑰匙插入到位的信息后，主控芯片開始通過讀碼頭進行讀碼。讀碼頭由于受到鑰匙每次插入的沖擊力和摩擦力，需要設(shè)計成彈性滾珠的方式，如圖5 所示。讀碼頭底部設(shè)計一個讀碼探針，其作用是實現(xiàn)讀碼與旋轉(zhuǎn)開鎖互不干擾，讀碼時碼值信息經(jīng)讀碼頭、讀碼探針傳輸給主控芯片。旋轉(zhuǎn)開鎖時，讀碼頭與讀碼探針分離。讀碼頭和探針都需要做絕緣保護。

圖5 讀碼頭

2.1.3 電控鎖點設(shè)計

電控鎖點通常可以通過電磁鐵（螺線管）或者電機來實現(xiàn)，本文采用電磁鐵鎖定的方式（圖2）。選用雙穩(wěn)態(tài)電磁鐵，即在斷電時，電磁鐵自身可以保持鐵心伸出或縮回兩種狀態(tài)，其原理如圖6 所示。

圖6 雙穩(wěn)態(tài)電磁鐵

設(shè)永磁鐵心重力為G心，通電時產(chǎn)生的電磁力為FI，鐵心伸出時復位彈簧彈力為F彈1，鐵質(zhì)外殼和底蓋對鐵心的磁吸力為F磁1，鐵心縮回時復位彈簧彈力為F彈2，鐵質(zhì)外殼和底蓋對鐵心的磁吸力為F磁2，可知F彈1＜F彈2，F(xiàn)磁1＜F磁2。

當鑰匙碼值錯誤時，主控板不給電磁鐵供電，F(xiàn)彈1＞G心＋F磁1，電磁鐵保持伸出狀態(tài)，鎖定鎖膽，使得鎖膽無法旋轉(zhuǎn)解鎖；當鑰匙碼值正確時，主控板給電磁鐵正向供電，此時F彈1＜G心＋F磁1＋FI，鐵心在電磁力FI作用下，克服底部彈簧的彈力瞬間縮回，縮回后F彈2＜G心＋F磁2，解除鎖定后鑰匙可以旋轉(zhuǎn)鎖膽解鎖。

當開完鎖后，鑰匙回旋至初始角度拔出，鎖栓與鎖栓探針接觸，主控芯片檢測到鎖栓探針由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅骺匕褰o電磁鐵反向供電，此時F彈2＋FI＞ G心＋ F磁2，鐵心彈出，鎖定鎖膽。若鑰匙忘記拔出，長時間插在鎖頭里，由于F彈2＜G心＋F磁2，鐵心保持縮回狀態(tài)，直到檢測到鑰匙拔出的信號，主控板給電磁鐵反向供電，鐵心在彈簧作用下彈出鎖定。當主控板檢測到電池電量偏低時，給電磁鐵正向供電，解除鎖定，在更換新電池前都不再啟用電子鎖定功能，避免作為合法鑰匙在缺電情況下無法開啟鎖頭。

2.2 鑰匙結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了正確驅(qū)動鎖頭葉片，鑰匙上的牙花要符合實際可用牙花排列的編碼，且與鎖頭編碼對應。鑰匙碼片焊接在鑰匙電路板上，碼片的GND通過螺釘與鑰匙金屬柄連接。當鑰匙插入讀碼時，鑰匙板與主控板的GND 將導通共地，保證正確讀取碼值。鑰匙的上下蓋采用聚碳酸酯材料，通過超聲波焊接粘合在一起，如圖7 所示。由于鑰匙的金屬柄在使用過程中，受到扭力作用，因此鑰匙柄需要用螺釘固定在下蓋上，避免轉(zhuǎn)動鑰匙時直接施力于焊接好的上下蓋上，造成焊接處疲勞裂開。為使得鑰匙插入更暢順，在軌道槽的前端應有導向小斜面。

圖7 電子鑰匙

3 應用實例

設(shè)計方法已在某款鎖頭產(chǎn)品上應用，如圖8 所示。鎖頭產(chǎn)品通過功能、壽命、環(huán)境實用性等測試，具備良好的產(chǎn)品性能。

圖8 機電雙重認證電子鎖頭產(chǎn)品

4 結(jié)束語

本文在機械鎖頭的基礎(chǔ)上，通過恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證機械鎖定性能的前提下，增加電控鎖定功能，提供了鎖頭的防技術(shù)開啟能力。另外，設(shè)計方案對機械加工要求較低，生產(chǎn)成本可控，適合傳統(tǒng)機械鎖頭的升級改造。