基于NFC取能的安全智能锁的制作方法

本发明涉及智能锁领域，具体地涉及一种基于nfc取能的安全智能锁。

背景技术：

随着科技高速发展，智能电子锁在各个领域广泛应用，例如智能电网领域。电网现代化、智能化发展过程中，计量箱柜以及配网的各种门例如开闭所、环网柜、开关站、电缆分支箱等场所需要有安全防护功能的锁具。通用的机械锁具，机械钥匙易复制，保密性差，不适合保密性能和管理功能要求高的智能电网场所。现有的智能锁通过电子密码进行安全防护，或采用蓝牙通信方式进行开锁，虽然提高了开启锁具的技术难度，但锁具内部需要安装电池，而电池的寿命一般为3-5年，限制了锁具使用的寿命，更换电池则带来更多的维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于nfc取能的安全智能锁，实现开锁操作的安全认证，且通过nfc供电，无需安装电池，可延长智能锁的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于nfc取能的安全智能锁，包括：

锁体，包括壳体和开关锁执行机构；

控制系统，包括nfc取能模块及安全模块；

所述nfc取能模块包括微控制单元以及与所述微控制单元连接的nfc天线；

所述安全模块与所述微控制单元连接，用于对开锁设备进行身份认证；

所述nfc取能模块通过所述nfc天线与所述开锁设备近场通信以及从所述开锁设备获取电能以启动所述开关锁执行机构。

进一步地，所述开关锁执行机构包括：锁杆、横轴、复位压簧以及电机；

所述复位压簧包括第一压簧和第二压簧；

所述锁杆设有第一凹槽，所述锁杆的一端与所述第二压簧连接；

所述横轴的一端嵌入所述第一凹槽，所述横轴的另一端与所述第一压簧连接；

所述电机用于为所述横轴提供向所述第一压簧方向移动的动力以使所述横轴从所述第一凹槽中移出，从而使得所述锁杆在所述第二压簧的复位力的作用下弹起。

进一步地，所述开关锁执行机构还包括定位销轴，所述锁杆设有第二凹槽；

所述定位销轴与所述第二凹槽相匹配，用于对所述锁杆向下的位移进行限位。

进一步地，所述控制系统还包括状态检测模块；

所述状态检测模块与所述微控制单元信号连接，用于检测所述横轴是否从所述第一凹槽中移出以及所述锁杆是否弹起。

进一步地，所述状态检测模块包括第一霍尔元件和第二霍尔元件；

所述第一霍尔元件靠近所述横轴，用于检测所述第一霍尔元件与所述横轴之间的磁场变化；

所述第二霍尔元件靠近所述锁杆的连接有所述第二压簧的一端，用于检测所述第二霍尔元件与所述锁杆之间的磁场变化；

所述微控制单元根据所述第一霍尔元件检测的磁场变化确定所述横轴的位置以判断所述横轴是否从所述第一凹槽中移出，以及根据所述第二霍尔元件检测的磁场变化确定所述锁杆的位置以判断所述锁杆是否弹起。

进一步地，所述控制系统还包括稳压模块和电机驱动模块；

所述稳压模块的输入端与所述微控制单元连接，所述稳压模块的输出端与所述电机驱动模块和所述安全模块连接；

所述电机驱动模块与所述电机连接。

进一步地，所述nfc天线包括nfc数据接收线圈、nfc数据发送线圈以及nfc取能线圈。

进一步地，所述nfc数据接收线圈、所述nfc数据发送线圈以及所述nfc取能线圈分别与所述微控制单元的射频接口相连。

进一步地，所述控制系统集成于控制电路板上，所述控制电路板安装于所述壳体内。

进一步地，所述控制电路板的一端与所述横轴靠近，所述控制电路板的另一端与所述锁杆的连接有所述第二压簧的一端靠近；

所述第一霍尔元件焊接于所述控制电路板与所述横轴靠近的一端，所述第二霍尔元件焊接于所述控制电路板与所述锁杆靠近的一端。

本发明的智能锁基于nfc取能、通信，通过安全模块实现开锁的安全认证，避免了未经允许的开锁操作；通过nfc取能提供开锁的电能，无需安装电池，延长智能锁的使用寿命，避免电池老化带来的维护工作。

本发明的智能锁内置安全芯片作为权限认证，安全认证的保证渠道，配合相应的密钥管理系统、权限管理系统，通过相应的管理系统、接口，实现计量箱体、配电柜等设备的权限的远程下发、人员管理，为电气设备的安全运行、窃电事故的防范提供有效技术保障。例如，智能锁的电子钥匙与智能锁的开锁关系由主站系统进行一对一关联，并根据关联关系提供开锁授权数据，设备间采用基于国密sm1算法的对称密钥进行身份认证，确保电子钥匙的合法性。智能锁还可以作为一个信息交互的节点，通过智能锁具管理平台，对所有关于该地理信息节点与门内或者该设备的操作进行扩展的数据绑定，例如对锁具id、安全芯片id、电力设备id的绑定，从而达到利用门锁节点的信息内容来贯穿电网建设运维的全过程，与生产管理信息系统一体化集成，实现设备台账信息、缺陷信息、巡检信息等的可视化共享，实现巡检的标准化作业，并实现缺陷管理流程的统一。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于nfc取能的安全智能锁的锁体的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于nfc取能的安全智能锁的控制系统的框图；

图3是本发明实施例提供的nfc取能模块的微控制单元的电路原理图；

图4是本发明实施例提供的nfc取能模块的nfc天线的电路原理图；

图5是本发明实施例提供的nfc天线的线圈结构图；

图6是本发明实施例提供的安全模块的电路原理图；

图7是本发明实施例提供的稳压模块的电路原理图；

图8是本发明实施例提供的电机驱动模块的电路原理图。

附图标记说明

10-锁体，11-壳体，12-锁杆，13-第一凹槽，14-第二凹槽，15-横轴，

16-第一压簧，17-第二压簧，18-电机，19-定位销轴，20-控制电路板，

21-第一霍尔元件，22-第二霍尔元件，23-第一支架，24-第二支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。所述的“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，所述的“连接”可以是两部件之间的机械结构上的连接，也可以是两元件之间的电功率连接或信号连接，例如控制信号和反馈信号；所述的“连接”可以是两个部件/元件之间的直接连接，也可以是通过中间媒介(例如导线)相连，还可以是通过第三个部件/元件实现的间接连接。

近场通信(nearfieldcommunication，简称nfc)，是一种短距高频的无线电技术。nfc工作模式分为被动模式和主动模式。被动模式中nfc发起设备(也称为主设备)需要供电设备，主设备利用供电设备的能量来提供射频场，并将数据发送到nfc目标设备(也称作从设备)，传输速率传输速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三种。从设备不产生射频场，所以可以不需要供电设备，而是利用主设备产生的射频场转换为电能，为从设备的电路供电，接收主设备发送的数据。被动模式下，nfc主设备可以检测非接触式卡或nfc目标设备，与之建立连接。主动模式中，发起设备和目标设备在向对方发送数据时，都必须主动产生射频场，都需要供电设备来提供产生射频场的能量。

本发明实施例提供一种基于nfc取能的安全智能锁，包括锁体10和控制系统。图1是本发明实施例提供的基于nfc取能的安全智能锁的锁体的结构示意图。如图1所示，所述锁体10包括壳体11和开关锁执行机构。所述开关锁执行机构包括：锁杆12、横轴15、定位销轴19、复位压簧以及电机18；所述复位压簧包括第一压簧16和第二压簧17；所述锁杆12设有第一凹槽13，所述锁杆12的一端与所述第二压簧17连接；所述横轴15的一端嵌入所述第一凹槽13，所述横轴15的另一端与所述第一压簧16连接；所述电机18用于为所述横轴15提供向所述第一压簧16方向移动的动力以使所述横轴15从所述第一凹槽13中移出，从而使得所述锁杆12在所述第二压簧17的复位力的作用下弹起。所述锁杆12设有第二凹槽14，所述定位销轴19与所述锁杆12上的第二凹槽14相匹配，用于对所述锁杆12向下的位移进行限位。

图2是本发明实施例提供的基于nfc取能的安全智能锁的控制系统的框图。如图2所示，所述控制系统包括nfc取能模块及安全模块；所述nfc取能模块包括微控制单元以及与所述微控制单元连接的nfc天线；所述安全模块与所述微控制单元连接，用于对开锁设备进行身份认证；所述nfc取能模块通过所述nfc天线与所述开锁设备近场通信以及从所述开锁设备获取电能以启动所述开关锁执行机构。nfc取能模块通过获取周围环境中的射频信号并进行能量转换，将射频信号转换为电能为电机供电。nfc取能模块采用电感耦合方式取能，即nfc取能模块与射频信号发射设备之间的电磁能量通过空间高频交变磁场实现耦合，将耦合能量转化为电能，以满足自身供电并能够支持大功率对外输出。图3是本发明实施例提供的nfc取能模块的微控制单元的电路原理图。本实施例中，所述微控制单元采用tn2115s芯片，该芯片具有nfc无线能量采集能力。图6是本发明实施例提供的安全模块的电路原理图。本实施例中，所述安全模块采用sc1041安全芯片，该安全芯片内置加密算法，可实现数据加密/解密、双向身份认证、存取权限控制以及数据加密传输等安全控制功能。安全芯片的身份认证过程例如：首先建立开锁设备(电子钥匙)与智能锁的安全连接，当智能锁接收到授权信息密文时，解密得到钥匙id、证书序号、锁授权码、开锁次数，验证上述信息的合法性，验证通过后执行开锁操作，并更新开锁次数。

所述控制系统还包括状态检测模块，所述状态检测模块与所述微控制单元信号连接，用于检测所述横轴15是否从所述第一凹槽13中移出以及所述锁杆12是否弹起。所述状态检测模块包括第一霍尔元件21和第二霍尔元件22。所述第一霍尔元件21靠近所述横轴15，用于检测所述第一霍尔元件21与所述横轴15之间的磁场变化；所述第二霍尔元件22靠近所述锁杆12的连接有所述第二压簧17的一端，用于检测所述第二霍尔元件22与所述锁杆12之间的磁场变化。所述微控制单元根据所述第一霍尔元件21检测的磁场变化确定所述横轴15的位置以判断所述横轴15是否从所述第一凹槽13中移出，以及根据所述第二霍尔元件22检测的磁场变化确定所述锁杆12的位置以判断所述锁杆12是否弹起，从而确定是否完成开锁操作。

所述控制系统还包括稳压模块和电机驱动模块，所述稳压模块的输入端与所述微控制单元连接，所述稳压模块的输出端与所述电机驱动模块和所述安全模块连接，所述电机驱动模块与所述电机18连接。图7是本发明实施例提供的稳压模块的电路原理图；图8是本发明实施例提供的电机驱动模块的电路原理图。如图7所示，所述稳压模块采用an_sy8290电源管理芯片及稳压电路，以提供稳定的电压/电流输出。如图8所示，所述电机驱动模块采用ht7k1201马达驱动器，以控制电机18的启动。

图4是本发明实施例提供的nfc取能模块的nfc天线的电路原理图；

图5是本发明实施例提供的nfc天线的线圈结构图。如图4和图5所示，所述nfc天线包括nfc数据接收线圈rfa、nfc数据发送线圈rfb以及nfc取能线圈rfc。本实施例中，采用一圈rfa线圈作为数据接收天线，采用一圈rfb线圈为数据发送天线，rfa线圈和rfb线圈相配合用于nfc数据通信；采用三圈rfc线圈作为取能天线，用于nfc无源供电。nfc数据接收线圈rfa+/rfa-、nfc数据发送线圈rfb+/rfb-以及nfc取能线圈rfc+/rfc-分别与所述微控制单元的射频接口(rf_ap、rf_am、rf_bp、rf_bm、rf_cp、rf_cm)相连。

本实施例中，所述控制系统集成于电路板(pcb)上，所述电路板安装于锁体的壳体内。具体为，nfc天线集成在pcb上形成pcb天线；微控制单元、安全模块、稳压模块及电机驱动模块集成于电路板上构成智能锁的控制电路板20；pcb天线焊接在控制电路板20上。所述控制电路板20的一端与所述横轴15靠近，所述控制电路板20的另一端与所述锁杆12的连接有所述第二压簧17的一端靠近。所述第一霍尔元件21焊接于所述控制电路板20与所述横轴15靠近的一端，所述第二霍尔元件22焊接于所述控制电路板20与所述锁杆12靠近的一端。所述控制系统还包括一个储能电容，用于临时存储nfc取能模块获取的电能。所述壳体11内设有支架组件，所述支架组件用于固定控制电路板20、电机18及电容。所述支架组件包括第一支架23和第二支架24，第二支架24呈工字形，第二支架24的一端与壳体11内壁相抵，另一端卡紧电机18使其与电机18的尾端紧密配合，以实现对电机18的固定。

近场通信时智能锁工作在被动模式下，作为从设备，利用主设备(具有nfc功能的手机或外设)产生的射频场转换为电能。当开锁设备(nfc手机或外设)靠近智能锁时，智能锁的nfc天线自动获取能量，当获取的能量达到启动控制系统所需的电压时，控制系统通过安全模块进行身份认证并判断获取到的电能是否达到预设阈值(电能量足以启动电机)，身份认证成功且电能达到预设阈值之后启动电机开锁。本实施例的智能锁的开锁过程为：pcb天线接收nfc手机发送的开锁信号同时获取电能，通过安全模块进行身份认证成功后，微控制单元发送开锁指令至电机驱动模块，电机18启动。电机18的齿轮端正向旋转带动电机18齿轮上方的横轴15向左做平移运动，此时第一压簧16呈压缩状态，在横轴15向左移动的过程中，横轴15右端的舌状结构从锁杆12上的第一凹槽13内退出；此时锁杆12在第二压簧17的复位力的作用下弹起，锁杆12整体向上运动实现开锁。在横轴15向左平移的过程中，第一霍尔元件21感应到周围的磁场强度发生变化。微控制单元根据第一霍尔元件21检测的磁场变化确定横轴15是否从所述第一凹槽13中移出，并根据第二霍尔元件22检测的磁场变化确定锁杆12是否弹起，从而判定是否完成开锁，将完成开锁的信号返回nfc手机。关锁过程为：在外力(人力)作用下，锁杆12的一端顺时针旋转对准锁孔，施加向下的压力，锁杆12整体向下运动至一定距离，横轴15在第一压簧16的复位力的作用下向右移动嵌入锁杆12上的第一凹槽13内，锁杆12在定位销轴19的限制作用下停止移动，完成关锁。

本发明实施例的智能锁基于nfc取能、通信，通过安全模块实现开锁的安全认证，避免了未经允许的开锁操作；通过nfc取能提供开锁的电能，无需安装电池，延长智能锁的使用寿命，避免电池老化带来的维护工作。

本发明实施例的智能锁内置安全芯片作为权限认证，安全认证的保证渠道，配合相应的密钥管理系统、权限管理系统，通过相应的管理系统、接口，实现计量箱体、配电柜等设备的权限的远程下发、人员管理，为电气设备的安全运行、窃电事故的防范提供有效技术保障。例如，智能锁的电子钥匙与智能锁的开锁关系由主站系统进行一对一关联，并根据关联关系提供开锁授权数据，设备间采用基于国密sm1算法的对称密钥进行身份认证，确保电子钥匙的合法性。智能锁还可以作为一个信息交互的节点，通过智能锁具管理平台，对所有关于该地理信息节点与门内或者该设备的操作进行扩展的数据绑定，例如对锁具id、安全芯片id、电力设备id的绑定，从而达到利用门锁节点的信息内容来贯穿电网建设运维的全过程，与生产管理信息系统一体化集成，实现设备台账信息、缺陷信息、巡检信息等的可视化共享，实现巡检的标准化作业，并实现缺陷管理流程的统一。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。