基于NB-IoT技術(shù)的配電網(wǎng)智能鎖管理系統(tǒng)研究

劉 霞 孫世菊

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

隨著人們的生活水平不斷提高，人們的用電需求與日俱增，促使供電系統(tǒng)隨之迅速發(fā)展。配電網(wǎng)的設(shè)備多采用機(jī)械鎖，與之對(duì)應(yīng)的鑰匙數(shù)量和種類繁多。在使用過(guò)程中，鑰匙管理復(fù)雜，借還效率低，丟失與盜配問題嚴(yán)重，且鎖具易損壞，每年都需要更換鎖具和鑰匙，隱形成本高[1]。為便于開鎖，有些配電網(wǎng)設(shè)備采用通用鑰匙，導(dǎo)致設(shè)備使用不當(dāng)或被非法破壞時(shí)無(wú)法根據(jù)開鎖人追溯責(zé)任。配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行要求比較高，為了保障運(yùn)行安全，運(yùn)行過(guò)程中要定期巡查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。因此，如何保證運(yùn)行維護(hù)人員巡查到位，當(dāng)發(fā)生重大事故時(shí)如何做到在管理上追溯到人，成為迫切需要解決的問題。

因?yàn)檫\(yùn)維人員有限，所以急需一種高效的管理系統(tǒng)，以解決鑰匙管理難、臨時(shí)授權(quán)難、開鎖過(guò)程追蹤難、運(yùn)維巡檢跟蹤難等問題，從而實(shí)現(xiàn)智能開鎖，并能記錄開鎖信息。另外，由于戶外配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量多、分布廣，而且大都是無(wú)源設(shè)備，若專門為其安裝門禁系統(tǒng)，采用單獨(dú)布線的數(shù)據(jù)傳輸方式，成本費(fèi)用較高且施工有難度[2]。門禁如果采用無(wú)線設(shè)備，那么后期還需要維護(hù)，費(fèi)用較高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，降低了無(wú)線方案的成本。采用NB-IoT技術(shù)的智能鎖管理系統(tǒng)，通過(guò)授權(quán)鑰匙或授權(quán)移動(dòng)App就可以打開相應(yīng)的配電網(wǎng)設(shè)備，從而簡(jiǎn)化鑰匙管理程序，解決鑰匙管理難題。工作人員使用時(shí)需要綁定人員身份，控制不同工作人員的開閉鎖權(quán)限，并記錄所有的操作[3-5]。這種方式有記錄和管理功能，可追溯和管理使用人員。

1 系統(tǒng)方案

智能鎖管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由無(wú)源電子鎖具、智能鑰匙、手機(jī)以及管理平臺(tái)等幾部分組成，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)鑰匙授權(quán)、鑰匙開鎖和信息記錄等功能。

首先，要在配電現(xiàn)場(chǎng)安裝各種無(wú)源電子鎖具，管理平臺(tái)可以對(duì)鎖具信息進(jìn)行記錄，如鎖具的位置等，同時(shí)通過(guò)軟件對(duì)人員進(jìn)行管理，對(duì)不同的人員、不同的時(shí)間賦予不同的權(quán)限，從而實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理。其次，工作人員可以用手機(jī)App獲取自己的授權(quán)，利用藍(lán)牙功能與智能鑰匙匹配連接并進(jìn)行通信，從而將智能鑰匙連接到無(wú)源電子鎖具實(shí)現(xiàn)開鎖功能[6-7]。再次，管理平臺(tái)可以利用適配器實(shí)現(xiàn)與智能鑰匙的直接通信，將智能鑰匙與電子鎖匹配連接實(shí)現(xiàn)開鎖功能，也可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)直接控制電子鎖具實(shí)現(xiàn)開鎖功能。最后，系統(tǒng)有多種開鎖方式，滿足了配電網(wǎng)設(shè)備的不同開鎖需求，而且能夠自動(dòng)記錄工作人員的操作日志。管理人員在管理平臺(tái)可以查看相關(guān)記錄，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備使用的追溯管理。

2 無(wú)源電子鎖具

配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量很多，且分布很廣，而且大都是無(wú)源的設(shè)備。若配備外接電源或者采用電池供電方式，會(huì)存在布線復(fù)雜、成本高、需要定期更換電池等問題，因此無(wú)源的電子鎖具成為了配電網(wǎng)的必要設(shè)備[8]。

機(jī)械鎖的鎖芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要鑰匙與鎖芯匹配就能打開鎖具。開鎖方式相對(duì)容易，安全性較低。電子鎖內(nèi)部包括電磁鐵、鎖體以及電子電路，通過(guò)電路進(jìn)行控制，開鎖操作簡(jiǎn)單。但電子鎖掉電后，鎖具會(huì)處于開鎖狀態(tài)，會(huì)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)源電子鎖具集成了普通機(jī)械鎖與電子鎖的特點(diǎn)，一般由鎖芯和鎖體組成，其中鎖體無(wú)需電源，而且鎖芯是智能電子鎖芯。掉電的狀態(tài)下，無(wú)源電子鎖具是常閉的，避免了掉電開鎖的安全隱患。

無(wú)源電子鎖具由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、外圍電路、近距離無(wú)線通信技術(shù)（Near Field Communication，NFC）芯片、驅(qū)動(dòng)電路及外部存儲(chǔ)器電路等組成。其中：NFC芯片用來(lái)進(jìn)行藍(lán)牙通信；CPU是核心控制單元，能夠與外圍電路一起實(shí)現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)處理等功能；外部存儲(chǔ)電路能夠?qū)崿F(xiàn)開鎖事件的信息記錄功能；驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)執(zhí)行開鎖功能。其組成框圖如圖2所示。

每個(gè)無(wú)源電子鎖都有ID編碼，且這個(gè)ID是唯一的，可以保證鑰匙的可靠性。鎖具外殼使用高性能的合金材料。鎖芯芯片是全封閉的，可以防水防腐蝕，以保證鎖具的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，鎖具的無(wú)源化使得鎖具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度降低，且鎖體沒有電源，節(jié)省了電池成本以及電池更換帶來(lái)的維護(hù)工作量，提高了鎖體的可靠性[9]。

3 智能鑰匙

智能鑰匙主要由CPU、外圍電路、NFC芯片、時(shí)鐘電路、外部存儲(chǔ)器電路以及電池充電電路等組成。

其中：NFC芯片能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能鑰匙與管理平臺(tái)及手機(jī)App的無(wú)線通信；CPU是微控制單元；存儲(chǔ)電路能存儲(chǔ)電子鎖具信息和人員的操作權(quán)限；電池充電電路能為智能鑰匙提供電源。

通過(guò)藍(lán)牙連接的方式，管理人員可以利用管理系統(tǒng)或者手機(jī)App對(duì)智能鑰匙進(jìn)行信息授權(quán)管理，如工作人員的基本信息、開鎖的權(quán)限及時(shí)間等。當(dāng)工作人員將智能鑰匙插入無(wú)源電子鎖具時(shí)，由智能鑰匙中的電池給整個(gè)鎖具系統(tǒng)供電，由電子鎖具中的控制電路啟動(dòng)工作并進(jìn)行動(dòng)態(tài)密鑰驗(yàn)證。密鑰驗(yàn)證匹配成功，鎖具才能打開，同時(shí)電子鑰匙記錄操作日志。密鑰驗(yàn)證不匹配，鎖具不會(huì)被打開，同時(shí)對(duì)無(wú)源電子鎖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將信息保存下來(lái)，以便日后查詢。

4 管理平臺(tái)

系統(tǒng)管理平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、管理軟件、讀卡器、發(fā)卡器、通信模塊、智能鑰匙存放倉(cāng)以及充電適配器等部件組成，可以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理、用戶管理、授權(quán)管理、運(yùn)營(yíng)管理和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

4.1 集中資產(chǎn)管理

工作人員可以在管理軟件中記錄鎖具等資產(chǎn)的信息，也可以利用管理軟件拓?fù)鋱D直觀地展現(xiàn)資產(chǎn)的位置，以便于資產(chǎn)管理。

4.2 集中授權(quán)管理

在管理平臺(tái)的管理軟件中能夠建立系統(tǒng)的管理員及權(quán)限，同時(shí)可以建立作業(yè)人員信息以及智能鑰匙信息，并將作業(yè)人員與智能鑰匙進(jìn)行綁定。在軟件中確定好作業(yè)人員的開鎖權(quán)限，同時(shí)把這些授權(quán)信息下載到電子鑰匙中，能夠?qū)崿F(xiàn)不同人員不同權(quán)限的管理，并且可以實(shí)時(shí)查看和改變作業(yè)人員授權(quán)情況。

4.3 集中運(yùn)營(yíng)管理

作業(yè)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，將智能鑰匙插入無(wú)源電子鎖中的同時(shí)，智能鑰匙開始工作并給無(wú)源電子鎖供電。此時(shí)，電子鎖中的控制電路啟動(dòng)，并進(jìn)行密鑰驗(yàn)證。如果驗(yàn)證匹配，轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙即可打開鎖具；如果不匹配，轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙無(wú)法打開鎖具。同時(shí)，智能鑰匙將會(huì)記錄下整個(gè)開鎖的日志，并上傳到管理平臺(tái)中存儲(chǔ)下來(lái)。管理人員可以根據(jù)需要隨時(shí)查看日志情況，以確認(rèn)作業(yè)人員的工作情況，做到人員和工作過(guò)程的可追溯管理。

4.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出

管理平臺(tái)具有完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以保存操作日志，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，從而為其他電力系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)調(diào)度，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化整合提供支持。

5 NB-IoT技術(shù)

NB-IoT又被稱作低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area，LPWA），即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)。它是一種窄帶射頻技術(shù)，是專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要是指應(yīng)用Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高，且耗電量比較大。廣域物聯(lián)網(wǎng)可以使用光纖，但需要高寬帶終端。當(dāng)使用NB-IoT構(gòu)建蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需很少的帶寬（大約180 kHz），且部署方便，可直接用于通用移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或通用移動(dòng)通信技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，具有廣域網(wǎng)、低功耗、連接多、成本低和信號(hào)強(qiáng)的特點(diǎn)，目前已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)提供了廣闊的發(fā)展前景。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，配電網(wǎng)存在門鎖鑰匙管理困難、人員追溯困難等問題，而智能門鎖管理系統(tǒng)采用NB-IoT技術(shù)組網(wǎng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能鎖具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多種方式智能鑰匙開鎖、運(yùn)維日志保存、人員可追溯等功能，能夠使配電網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)更加安全，且有效提高了工作人員的日常工作效率。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用安全方便，滿足了配電網(wǎng)的使用需求。