高静远

（珠海优特物联科技有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

锁具是人类生活中不可或缺的机械装置［1］。经过不断发展，锁具已经演变成种类繁多、结构精密的产品，如弹子锁、叶片锁等［2］。尽管对锁的结构和质量进行改进和提高，但通过技术开锁的犯罪案件时有发生［3］。因此有必要对锁具进行新的设计，提升防技术开启能力。本文阐述一种电子锁头结构设计方法，可实现机电双重认证，有效提高锁头的防技术开启能力。

1 电子锁头开锁流程设计

机电双重认证电子锁头的开锁流程设计如图1 所示。

图1 机电双重认证电子锁头的开锁流程

2 锁头及钥匙结构设计

基于图1 的开锁流程，按DIN 18252－2018 规定的葫芦形锁头横截面尺寸规格设计产品。在有限空间内，实现流程所需要的功能是设计的重点。下面分别对锁头和钥匙的结构设计展开阐述。

2.1 锁头结构设计

锁头的结构设计可以细分为机械锁点设计、接触式读码结构设计、电控锁点设计。

2.1.1 机械锁点设计

机械锁头按锁定结构件的形状大致可划分为叶片锁头和弹子锁头。本文的机械锁点采用空间利用率更高的叶片锁定形式。如图2～3 所示，叶片共设计12 个，其中内轨道叶片8 个，外轨道叶片4 个。为降低锁胆制造精度要求，每3 个叶片为1 组，放置在锁胆的叶片槽内，沿轴线方向分布在锁胆内。每组有2个内轨道叶片和1 个外轨道叶片。内轨道叶片牙花3 个级差，外轨道叶片2 个级差，叶片牙花相邻两个级差的差异量为0.7 mm。

图2 机电双重认证电子锁头内部结构

图3 内、外轨道叶片

按GA／T 73－2015《机械防盗锁》要求，锁头可分A、B、C三个安全级别，其中C 级最高。C 级叶片锁头的牙花差异交换数为2，即任意两个锁头的牙花编码须有2 个对应位置的牙花不同，因此本锁头的理论密钥量：

式中：ai为牙花级差数；ni为叶片数；b为差异交换数。

2.1.2 接触式读码结构设计

稳定可靠的读码是实现电控开闭锁的前提条件。如图2 所示，读码是通过锁栓探针、读码探针和读码头实现。锁栓探针由主控板供电，锁头与主控板的GND（信号地）通过螺钉连接。锁栓探针与锁栓接触（闭锁）时，探针与主控板GND 导通，为低电平；锁栓探针与锁栓分离（解锁）时，探针与主控板GND不再导通，为高电平。因此，在机械锁点解开后，主控芯片通过检测锁栓探针的电平由低变高，获知当前插入的钥匙牙花正确的这个信息。钥匙的插入和拔出，钥匙牙花轨道槽会驱动叶片左右运动，叶片在运动过程中会产生振动，振动会传递给锁栓，造成锁栓上下晃动；另外由于锁头牙花编码排列的随机性，会有概率出现钥匙插入过程中锁胆前段的叶片V 形缺口在某一瞬间出现连成一线的情况。当探针只设置一根时，上述两个因素，会使得锁栓在锁栓复位弹簧作用下与锁栓探针分离，从而锁栓探针由低电平变为高电平。主控芯片会误判钥匙已经插入到位，实际上钥匙只是插入一段。按照开锁流程，主控芯片误判后会进行读码，而此时由于钥匙尚未真正插入到位，就会读取到一个错误码值，进而导致合法钥匙码值读取失败。因此，读码结构上采用双锁栓探针的方法，如图4 所示，在锁栓的前后位置各布置一根探针，消除信号的抖动。实际测试发现，双探针方案明显优于单探针方案，能有效消除信号抖动。

图4 双锁栓探针

在获得合法钥匙插入到位的信息后，主控芯片开始通过读码头进行读码。读码头由于受到钥匙每次插入的冲击力和摩擦力，需要设计成弹性滚珠的方式，如图5 所示。读码头底部设计一个读码探针，其作用是实现读码与旋转开锁互不干扰，读码时码值信息经读码头、读码探针传输给主控芯片。旋转开锁时，读码头与读码探针分离。读码头和探针都需要做绝缘保护。

图5 读码头

2.1.3 电控锁点设计

电控锁点通常可以通过电磁铁（螺线管）或者电机来实现，本文采用电磁铁锁定的方式（图2）。选用双稳态电磁铁，即在断电时，电磁铁自身可以保持铁心伸出或缩回两种状态，其原理如图6 所示。

图6 双稳态电磁铁

设永磁铁心重力为G心，通电时产生的电磁力为FI，铁心伸出时复位弹簧弹力为F弹1，铁质外壳和底盖对铁心的磁吸力为F磁1，铁心缩回时复位弹簧弹力为F弹2，铁质外壳和底盖对铁心的磁吸力为F磁2，可知F弹1＜F弹2，F磁1＜F磁2。

当钥匙码值错误时，主控板不给电磁铁供电，F弹1＞G心＋F磁1，电磁铁保持伸出状态，锁定锁胆，使得锁胆无法旋转解锁；当钥匙码值正确时，主控板给电磁铁正向供电，此时F弹1＜G心＋F磁1＋FI，铁心在电磁力FI作用下，克服底部弹簧的弹力瞬间缩回，缩回后F弹2＜G心＋F磁2，解除锁定后钥匙可以旋转锁胆解锁。

当开完锁后，钥匙回旋至初始角度拔出，锁栓与锁栓探针接触，主控芯片检测到锁栓探针由高电平变为低电平后，主控板给电磁铁反向供电，此时F弹2＋FI＞ G心＋ F磁2，铁心弹出，锁定锁胆。若钥匙忘记拔出，长时间插在锁头里，由于F弹2＜G心＋F磁2，铁心保持缩回状态，直到检测到钥匙拔出的信号，主控板给电磁铁反向供电，铁心在弹簧作用下弹出锁定。当主控板检测到电池电量偏低时，给电磁铁正向供电，解除锁定，在更换新电池前都不再启用电子锁定功能，避免作为合法钥匙在缺电情况下无法开启锁头。

2.2 钥匙结构设计

为了正确驱动锁头叶片，钥匙上的牙花要符合实际可用牙花排列的编码，且与锁头编码对应。钥匙码片焊接在钥匙电路板上，码片的GND通过螺钉与钥匙金属柄连接。当钥匙插入读码时，钥匙板与主控板的GND 将导通共地，保证正确读取码值。钥匙的上下盖采用聚碳酸酯材料，通过超声波焊接粘合在一起，如图7 所示。由于钥匙的金属柄在使用过程中，受到扭力作用，因此钥匙柄需要用螺钉固定在下盖上，避免转动钥匙时直接施力于焊接好的上下盖上，造成焊接处疲劳裂开。为使得钥匙插入更畅顺，在轨道槽的前端应有导向小斜面。

图7 电子钥匙

3 应用实例

设计方法已在某款锁头产品上应用，如图8 所示。锁头产品通过功能、寿命、环境实用性等测试，具备良好的产品性能。

图8 机电双重认证电子锁头产品

4 结束语

本文在机械锁头的基础上，通过恰当的结构设计，在保证机械锁定性能的前提下，增加电控锁定功能，提供了锁头的防技术开启能力。另外，设计方案对机械加工要求较低，生产成本可控，适合传统机械锁头的升级改造。