基于NFC無源供電技術的防誤鎖具設計及應用

閔 雄1，趙 力2

（1.廣東平方科技有限公司，廣東 珠海 519000；2.國網青海海南供電公司，青海 海南 813000）

0 引言

鎖具在電力能源企業(yè)安全生產中涉及大量重點設施、設備和物品管理。如戶外環(huán)網柜、充電樁、風電機等，這些設備地理位置分散、種類復雜、數量繁多，借用頻繁，日常運維作業(yè)中涉及工作面大、距離遠、交叉頻繁的問題[1-2]。特別是在電力行業(yè)中多用在防誤領域。目前廣泛采用傳統(tǒng)機械鎖具，利用大量機械鑰匙進行管理，主要存在如下問題：（1）鎖具與鑰匙數量大，一一對應，查詢取用效率低；（2）機械鑰匙缺乏防護措施，鑰匙管理粗放，易丟失、易復制；（3）生產作業(yè)交叉頻繁，授權難、記錄難；（4）缺乏科技手段，過程管理和監(jiān)督缺乏，安全風險突出。部分有源智能鎖具方案可實現智能化管理，但依賴內外部電源，維護難度大、可靠性低、實施復雜，且需要專用鑰匙，互聯網應用水平低，難以實現智能安全控制[3-4]。

在當今社會大力發(fā)展物聯網、智能制造的趨勢下。電力行業(yè)對傳統(tǒng)鎖具也提出了新的需求[5]。國網公司在2021年1月29日發(fā)布了《Q/GDW 12027-2020智能物聯鎖具技術規(guī)范》。主要是基于藍牙技術路線。目前市面上藍牙技術的鎖具，分為在線和非在線兩種。在線的藍牙鎖具內置電池，配合狀態(tài)監(jiān)測單元可以獲得鎖具的實時開閉狀態(tài)。非在線的則無此功能。內置電池因壽命和體積限制，開鎖所需功耗大，一般只作為狀態(tài)供電，不作為開鎖動力供電。所以通常用另外的專用鎖具供電器配合手持終端進行開鎖操作。手持終端先和專用鎖具供電器通訊，然后專用鎖具供電器通訊再和鎖具通訊，執(zhí)行手持終端的開鎖指令。用戶在使用時的體驗感有待提高。特別是在北方低溫地區(qū)使用，開鎖可靠性及壽命問題更為突出。

南網公司也在2021年公布了《電力智能物聯安全鎖具技術標準》征求意見稿。包含了基于藍牙技術和基于NFC（Near Field Communication）技術的智能鎖。基于NFC技術的智能鎖因為免去了電源維護，在取電比較復雜的環(huán)境下優(yōu)勢比較明顯，但是其供電功耗低，可轉換的力矩有限，和傳統(tǒng)機械鎖具結構相比，設計上若無較明顯的突破，將導致開鎖行程和開鎖力量不夠而無法開鎖的問題。有些產品為平衡力矩、壽命、供能功耗的問題，常常采用減小開鎖的相關行程和彈簧的彈力來實現，但卻發(fā)現在戶外使用或振動環(huán)境下，鎖具很容易自動打開，安全性存在很大問題。也有一些僅利用NFC來通訊開鎖指令，同時使用單獨供能方式類型鎖具。這種并不是真正意義上的NFC無源智能鎖具[6-7]。

基于上述問題及行業(yè)發(fā)展趨勢，為實現電力設備的安全穩(wěn)定運行，避免發(fā)生誤操作等安全事故，實現對電力安全防誤鎖具及鑰匙的集中統(tǒng)一管理，免電池維護的無源供電智能鎖具及管理系統(tǒng)，以提高防誤運行、維護、管理水平和工作效率的需求變得急為迫切。

1 防誤鎖具結構組成

基于NFC無源供電技術的防誤鎖具通過NFC讀碼時，對鎖具進行通信的同時供電，通過機電設計，在保證鎖具安全可靠的情況下，實現開鎖操作[8-9]。鎖具內部無電池，也無需要通過外接供電器或供電線之類的專用設備來供電開鎖，主要由鎖梁及鎖體、減速電機、電路模塊組成。鎖梁用來閉鎖電力設備，如刀閘、柜門、開關等。鎖體內部包括用來閉鎖和釋放鎖梁的機械傳動結構。電路模塊為減速電機提供電能。減速電機動作后完成觸發(fā)鎖體內部用來閉鎖和釋放鎖梁的機械傳動結構工作。鎖梁被釋放后，作業(yè)人員即可對相應電氣設備進行下一步的操作，從而實現對閉鎖對象設備的有效閉鎖管理。整個產品的主要技術難點體現為電路模塊能量的采集和特殊的微功耗傳動機構設計兩方面。特別是機構傳動設計的部分，直接決定產品能否成功實現開鎖功能。

2 主要組成設計

2.1 電路模塊

基于NFC無源電路模塊使用一款通用型NFC無線MCU，支持ISO14443A標準協議。在提供通用雙端口標簽的通信與存儲功能的同時，極大地提升和擴展了傳統(tǒng)被動NFC接口的效能和功能。是傳統(tǒng)被動接口2倍或更高的天線效率。還提供了無與倫比的NFC無線能量采集能力。結合安卓或者蘋果手機，電路模塊可無電池運行，同時提供最高達300 mW的直流電能。可驅動電機，或為超級電容充電。主要包括NFC天線、NFC主控芯片、能量存儲和能量監(jiān)測電路、電源控制電路、電機驅動電路。通過NFC天線獲取外部電能，作為供電電源，實現鎖具的解閉鎖電動控制[10-11]。具體原理如圖1所示。

圖1 工作原理

2.2 執(zhí)行機構

閉鎖的執(zhí)行機構形式可以多種多樣，如掛鎖、旋轉把手鎖、栓式鎖等，本文以防誤掛鎖為例。電機帶動電機凸輪作圓周運動，推動開鎖盤旋轉，當旋轉到一定角度時，閉鎖撥叉在開鎖主彈簧向上的作用力及自身復位扭簧順時針方向力作用下迅速發(fā)生順時針旋轉，進入開鎖盤的避位凹處，從而放開鎖梁，完成開鎖動作。傳感器1檢測鎖梁遠離，即為開鎖的狀態(tài)。傳感器2檢測電機凸輪的位置狀態(tài)。

上鎖時，手動下壓鎖梁，閉鎖撥叉在鎖梁的壓力下逆時針旋轉，此時，閉鎖撥叉退出開鎖盤的避位凹處，開鎖盤在復位扭簧2的作用下完成復位。閉鎖撥叉即頂在開鎖盤的外側。完成上鎖。主要力矩優(yōu)化設計如下：（1）不直接對抗主開鎖彈簧產生的彈力，主開鎖彈簧力通過結構設計將其轉化為圓弧或斜面接觸點切點的壓力，可減小一半以上；（2）通過杠桿原理，將上述壓力利用長度比再次減小一半以上；（3）此時壓力通過兩個圓柱的接觸面轉變?yōu)槟Σ亮ΓM一步減小；（4）最后利用開鎖盤與電機凸輪盤形面的齒輪副比，壓力再進一步減小。

此機構通過在驅動機構和限位機構之間設置摩擦傳動以及設置摩擦副的傳動比，降低解鎖時驅動機構轉動限位機構需要輸出的開鎖力。同時可以在開鎖的行程設計上，將傳統(tǒng)的單點凸輪設計為2點或以上多點凸輪。從而減少開鎖時的空轉時間。提高開鎖的響應時間及用戶體驗感覺。結構原理如圖2所示。

2.3 應用架構

防誤的主要目的是避免作業(yè)人員失誤造成生命或財產安全，保障電力安全運行。所以每個電力設備開關、刀閘都有對應的鎖具，并按作業(yè)需要進行開鎖授權管理、開鎖邏輯順序管理。防誤系統(tǒng)架構以受控設備為安全控制對象，系統(tǒng)主要由鎖控云、鎖控主機、移動終端（手機/PDA/iKEY）、智能鎖具裝置4部分構成[12-13]。具體如圖3所示。

圖3 應用架構

（1）鎖控云是系統(tǒng)綜合運行管理中心，提供基于云端的業(yè)務管理，包括用戶權限、設備目錄、操作日志、數據存儲。可根據需要提供私有云應用模式、公有云應用模式或混合云應用模式進行部署。

（2）鎖控主機是用戶私有云或數據運行的基礎設施。用于保存需要進行私有云部署的用戶私有數據，包括本地設備信息、業(yè)務邏輯、鎖具數據、權限等核心數據。

（3）移動終端是用戶根據管理和業(yè)務目標執(zhí)行開閉所操作的執(zhí)行機構，根據應用規(guī)模和配置差別，可分為智能移動終端和iKEY（通開型）。含NFC讀碼能力的手機或PDA智能移動終端均可作為智能移動終端，安裝有專用鎖控App，通過鎖控App與后臺系統(tǒng)進行操作任務交互管理、權限鑒別，實現對鎖具的識別、無線供電、邏輯管理和行為記錄功能。iKEY（通開型）是一種簡化的通開型小型開鎖鑰匙，可以根據需要注冊鎖具，并對注冊的鎖具實現電子化通開管理，拿到鑰匙及授權。

（4）智能鎖具裝置是具備NFC無源供電技術的智能鎖具。支持NFC讀碼通信和功能，無內置電池，具備全封閉設計，可以是掛鎖、旋轉把手鎖、栓式鎖等不同結構形式。

3 應用實踐和分析

該技術目前已在部分供電局投入運行，主要用于主網變電站、配電網環(huán)網柜變電房等電力設施設備的安全管控與防止誤操作管理。主要包括爬梯通道門安全、電氣刀閘操作、檢修安全隔離等，尤其是電氣、通道門、操作機構、機構箱的日常檢修與操作，特別是安全或解閉鎖的邏輯順序過程操作管理。可直接通過系統(tǒng)操作完成包括申請使用、授權開鎖、過程記錄、鎖具聯鎖等生產工藝、檢修作業(yè)、危險點管控、安全管理類業(yè)務。替代了傳統(tǒng)機械鎖具或傳統(tǒng)電器電子鎖具。

加林站智能安全鎖控系統(tǒng)通過NFC智能鎖具實現對變電站公共設施爬梯、通道門的安全閉鎖管理，覆蓋爬梯、門、把手共計40余套，使用NFC智能掛鎖150把，系統(tǒng)通過在線授權進行管控，使用1年多以來，經歷了海邊潮濕、雨水、高溫、高鹽環(huán)境的考驗，設備運行良好。

蘇州吳中供電中心的智能安全鎖控系統(tǒng)通過NFC智能鎖具實現對配電環(huán)網柜門的安全閉鎖管理，覆蓋全區(qū)，使用NFC智能掛鎖近600把，系統(tǒng)通過在線授權進行管控。運行良好。

黃驊港煤炭樣品保密試點項目1期工程，采用150把NFC智能鎖替換原有24個車間70多組集樣器、樣品柜所采用的300多把傳統(tǒng)機械掛鎖，徹底改變了過去樣品保密管理中鑰匙滿天飛、管理登記無序、隨意混亂的狀態(tài)，加強了樣品安全管控，降低了作弊風險。使用1年多以來，經歷了海邊潮濕、雨水、2020年超低溫寒潮的考驗，設備運行良好。

在實際使用及培訓中，也發(fā)現一些需要優(yōu)化的問題。如操作方法的問題，目前市面上手機型號較多，且不同手機品牌對操作系統(tǒng)及NFC功耗的優(yōu)化程度不一。不同手機的信號強弱有一定區(qū)別。且操作人員需要了解自己的手機，確認手機支持NFC，并確認手機NFC的信號位置，在操作時將信號中心對準鎖具中心才能進行有效操作。目前通過使用PDA來進行操作可以避免此問題。典型現場運行如圖4所示。

圖4 典型現場運行

4 結束語

基于NFC近場通訊技術屬于最安全的通信技術之一，目前NFC功能已經成為智能手機終端設備的標準配置，廣泛用于讀碼、身份識別、金融支付等領域。NFC無源技術路線的智能鎖具的出現，改變安全鎖控管理的模式。主要優(yōu)點如下：（1）智能鎖具內部無需電源，免維護，部署簡單；（2）鎖具全封閉設計，無機械開鎖孔，戶外環(huán)境適應能力強；（3）移動操作裝置通用性強，觸碰開鎖，操作便捷；（4）支持遠程網絡授權，可實時交互，效率高。

結合防誤軟件授權作業(yè)管理，可自動記錄追蹤，增加了設備運行安全的可靠性，消除了人為安全隱患，能夠有效解決設備運行管理安全管理方面存在的問題，消除運行風險。不僅在電力領域，在軌道交通安全管控領域，可用于車輛段、供電段、機務段、工務段的特種設備安全管控，包括電氣安全管控、信號機安全管控、場站公共設施安全管控等。在石油化工安全管控領域，可用于油氣化工等高危險行業(yè)，通過設置安全聯鎖系統(tǒng)，對操作維護的安全性、邏輯系統(tǒng)、系統(tǒng)可靠性和可用度等方面實現安全聯鎖，加強對管道閥門作業(yè)的安全工藝管控，能有效保障系統(tǒng)安全運行。在有安全管理，工藝邏輯管控的行業(yè)應用領域具有十分廣闊的前景。

基于NFC近場通訊技術為無源化，不僅符合電網公司物聯網的建設要求。能有效地滿足智能化管理、安全管理、數據管理、集中可視化管理的需求，同時，無源供電的技術路線也符合國家能源環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。相信隨著成本的不斷降低，在工業(yè)物聯網時代，基于NFC無源供電技術的防誤鎖具將不斷擴大市場占有率，并在防誤領域發(fā)揮巨大的作用和價值。