一种基于软件加密的电能计量用智能锁具及其监控方法与流程

1.本发明涉及电能计量用智能锁具技术领域，并且更具体地，涉及一种基于软件加密的电能计量用智能锁具及其监控方法，用于对电能计量箱/柜等进行锁闭、具备状态量信号接入功能的智能锁具。


背景技术：

2.目前现场普遍采用的电能计量用锁具主要是传统机械式锁具，钥匙管理模式通常为一把锁一把钥匙、或多把锁共用一把钥匙，由于每个管理人员管辖的计量箱/柜数量庞大，导致实体钥匙数量多、难以管理，钥匙丢失后安全风险高，因此，机械式锁具在安全性和管理难度上都存在明显局限性。
3.为解决传统机械式锁具存在的问题和不足，电能计量领域研究开发了领域内专用的智能锁具，采用专用的终端设备与锁具建立无线通信连接操作实现无实体钥匙，通过内置硬件安全模块的方式与终端设备实现安全加密交互确保数据安全。但通过长时间的实践应用，该智能锁具仍存在问题：一是成本较高，由于硬件安全模块需要定制化开发、生产，导致智能锁具产品整体成本升高；二是锁具无法监测电能计量箱/柜的门开闭、震动等状态，对于门假锁、外力破坏等现象无法及时发现；三是开、闭锁控制方法较复杂，流程步骤过多导致易用性和使用效率较低。
4.因此，研究设计了一种用于电能计量箱的智能锁具及其监控方法，用于解决以上问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的电能计量领域智能锁具存在的成本较高、无法监测电能计量箱/柜的状态、易用性和使用效率较低的问题，本发明提供一种基于软件加密的电能计量用智能锁具及其监控方法。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种基于软件加密的电能计量用智能锁具，包括：
7.处理及运算电路、通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定器件、锁定状态传感器、门传感器；其中
8.处理及运算电路用于处理通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定状态传感器及门传感器接收的数据信号，控制锁定器件动作，运算生成向外部设备发送的数据信号；
9.通信交互端口为与现场作业人员使用的终端设备、计量箱或者柜内部设备、后台主站系统通信交互的数据收发端口；
10.状态量输入端口为接入外部传感器件状态信号的有线端口；
11.电源输入端口为接入外部直流电源的端口；
12.锁定器件为执行开锁控制指令的电驱动器件及被驱动的锁定结构部件；
13.锁定状态传感器为监测锁定结构部件处于开锁或者闭锁状态的传感器；
14.门传感器为监测计量箱或者柜门开闭状态的传感器。
15.优选地，处理及运算电路为由处理芯片、电阻、电容、二极管组成的电路板。
16.优选地，通信交互端口包括：串口、can接口、usb接口、蓝牙、nfc接口、lora接口、gprs接口、3g接口、4g接口及5g接口。
17.优选地，状态量输入端口包括两个接线触点，用于外接机械触点开关、弹簧震动开关、干簧管、霍尔传感器和光线传感器，状态量输入端口设置于锁具外壳表面，供安装使用时连接外部传感器。
18.优选地，电驱动器件包括电机、电磁阀及通电收缩金属线。
19.优选地，锁定结构部件包括锁舌、锁栓、锁勾、锁环及锁扣。
20.根据本发明的另一个方面，提供了一种基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控方法，包括：
21.锁定状态传感器接收信号，状态量输入端口接收信号，门传感器接收信号；
22.处理及运算电路解析锁定状态传感器、状态量输入端口、门传感器接收的信号的状态并编码，得到状态编码；
23.根据状态编码判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态；
24.如果基于软件加密的电能计量用智能锁具存在异常状态，则通过通信交互端口明文广播状态编码；反之，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；
25.通过通信交互端口明文广播状态编码之后，累计广播的次数，并判断广播的次数是否达到预设限值；
26.如果广播的次数达到预设限值，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则判断外部设备是否应答；
27.如果外部设备应答，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则重新判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态。
28.本发明可在现有电能计量领域智能锁具基础上达到降低成本、实现电能计量箱/柜状态监测、提高易用性和使用效率三方面效果，从而提高电能计量用智能锁具产品的实用化水平以及新应用场景的适用性。具体为，降低成本方面，采用软件加密算法代替硬件安全模块，在保持现有数据安全水平的前提下，节省了硬件安全模块的材料成本；电能计量箱/柜状态监测方面，具备门传感器和震动、温湿度超限、烟雾超限等各类传感器的状态量输入端口，并按照状态监测方法将状态信息发送至下级设备或主站系统，从而实现对状态的监测；提高易用性和使用效率方面，相较现有方案最大程度简化了开闭锁操作的流程，减少了人员手动操作和软件自动化操作的步骤。
附图说明
29.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
30.图1是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的组成示意图；
31.图2是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的开锁控制方法的流程示意图；
32.图3是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的闭锁
控制方法的流程示意图；
33.图4是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的监测控制方法的流程示意图；
34.图5是本发明一示例性实施例提供的产生各类信号的时间的示意图；
35.图6是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具实例的外部结构示意图；
36.图7是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具实例的内部结构示意图。
具体实施方式
37.下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。
38.应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
39.本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
40.还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
41.还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。
42.另外，本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
43.还应理解，本发明对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
44.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
45.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
46.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
47.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
48.本发明实施例可以应用于终端设备、计算机系统、服务器等电子设备，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与终端设备、计算机系统、服务器等电子设备一起使用的众所周知的终端设备、计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器
的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。
49.终端设备、计算机系统、服务器等电子设备可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令(诸如程序模块)的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。
50.示例性装置
51.图1是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的示意图。如图1所示，基于软件加密的电能计量用智能锁具包括：处理及运算电路、通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定器件、锁定状态传感器、门传感器；其中处理及运算电路用于处理通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定状态传感器及门传感器接收的数据信号，控制锁定器件动作，运算生成向外部设备发送的数据信号；通信交互端口为与现场作业人员使用的终端设备、计量箱或者柜内部设备、后台主站系统通信交互的数据收发端口；状态量输入端口为接入外部传感器件状态信号的有线端口；电源输入端口为接入外部直流电源的端口；锁定器件为执行开锁控制指令的电驱动器件及被驱动的锁定结构部件；锁定状态传感器为监测锁定结构部件处于开锁或者闭锁状态的传感器；门传感器为监测计量箱或者柜门开闭状态的传感器。
52.优选地，处理及运算电路为由处理芯片、电阻、电容、二极管组成的电路板。
53.优选地，通信交互端口包括：串口、can接口、usb接口、蓝牙、nfc接口、lora接口、gprs接口、3g接口、4g接口及5g接口。
54.优选地，状态量输入端口包括两个接线触点，用于外接机械触点开关、弹簧震动开关、干簧管、霍尔传感器和光线传感器，状态量输入端口设置于锁具外壳表面，供安装使用时连接外部传感器。
55.优选地，电驱动器件包括电机、电磁阀及通电收缩金属线。
56.优选地，锁定结构部件包括锁舌、锁栓、锁勾、锁环及锁扣。
57.在本发明实施例中，参见图1所示，基于软件加密的电能计量用智能锁具包括处理及运算电路、通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定器件、锁定状态传感器、门传感器。各个结构的详细介绍如下：
58.1)处理及运算电路：处理各端口、传感器接收的数据信号，控制锁定器件动作，运算生成向外部设备发送的数据信号。具体为由处理芯片、电阻、电容、二极管等电路元件组成的电路板。
59.2)通信交互端口：与现场作业人员使用的终端设备(如掌机等)、计量箱/柜内部设备、后台主站系统通信交互的数据收发端口。具体可包括串口、can、usb等有线方式接口，也可包括蓝牙、nfc、lora、gprs、3g、4g、5g等无线方式接口。
60.3)状态量输入端口：接入的外部传感器件状态信号的有线端口，此端口包括两个接线触点。此端口具体可外接机械触点开关、弹簧震动开关、干簧管、霍尔传感器、光线传感器等。可设置多组此类端口。此端口设置于锁具外壳表面，供安装使用时连接外部传感器。
61.4)电源输入端口：接入外部直流电源的端口。
62.5)锁定器件：执行开锁控制指令的电驱动器件及被驱动的锁定结构部件。电驱动器件包括电机、电磁阀、通电收缩金属线等。锁定结构部件包括锁舌、锁栓、锁勾、锁环、锁扣等。
63.6)锁定状态传感器：监测锁定结构部件处于开锁/闭锁状态的传感器。具体可包括机械行程开关、霍尔传感器等。
64.7)门传感器：监测计量箱/柜门开闭状态的传感器。具体可包括机械行程开关、霍尔传感器等。可设置多个此类传感器。此传感器集成于锁体上，在生产制造时与内部电路板连接。
65.从而，本发明提出的基于软件加密的电能计量用智能锁具可在现有电能计量领域智能锁具基础上达到降低成本、实现电能计量箱/柜状态监测、提高易用性和使用效率三方面效果，从而提高电能计量用智能锁具产品的实用化水平以及新应用场景的适用性。具体为，降低成本方面，采用软件加密算法代替硬件安全模块，在保持现有数据安全水平的前提下，节省了硬件安全模块的材料成本；电能计量箱/柜状态监测方面，具备门传感器和震动、温湿度超限、烟雾超限等各类传感器的状态量输入端口，并按照状态监测方法将状态信息发送至下级设备或主站系统，从而实现对状态的监测；提高易用性和使用效率方面，相较现有方案最大程度简化了开闭锁操作的流程，减少了人员手动操作和软件自动化操作的步骤。
66.示例性方法
67.图2是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的开锁控制方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括：
68.通信交互端口接收开锁控制指令密文；
69.处理及运算电路调用加密算法解密指令；
70.判断解密认证是否通过；
71.如果解密认证通过，则锁定器件动作解除锁定；反之则结束。
72.在本发明实施例中，开锁控制指令的数据协议由用户制定。相较现有方案，锁定器件动作后，不需要反馈是否开锁成功，开锁流程即结束，节省处理及运算电路资源。
73.图3是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的闭锁控制方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括：
74.开始；
75.手动关闭锁定器件；
76.结束。
77.在本发明实施例中，上述闭锁控制方法不需要外部下发闭锁控制指令，现场人员操作更加方便。
78.图4是本发明一示例性实施例提供的基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控方法的流程示意图。如图4所示，该方法包括：
79.锁定状态传感器接收信号，状态量输入端口接收信号，门传感器接收信号；
80.处理及运算电路解析锁定状态传感器、状态量输入端口、门传感器接收的信号的状态并编码，得到状态编码；
81.根据状态编码判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态；
82.如果基于软件加密的电能计量用智能锁具存在异常状态，则通过通信交互端口明文广播状态编码；反之，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；
83.通过通信交互端口明文广播状态编码之后，累计广播的次数，并判断广播的次数是否达到预设限值；
84.如果广播的次数达到预设限值，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则判断外部设备是否应答；
85.如果外部设备应答，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则重新判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态。
86.在本发明实施例中，累计广播次数限值n由用户自定。
87.电能计量用智能锁具的输入信号包括锁定状态a、输入状态b、门状态c共3类，其中锁开时产生锁定状态信号a，外部传感器动作时产生输入状态信号b，门开时产生门状态信号c。定义某类信号发生时常为t
x
，定义任意两类信号产生的起始间隔时间为t
(x-y)
，则先产生信号a、再产生信号b的各类时间示例见图5。
88.产生任一输入信号时触发处理及运算电路进入异常状态判断周期，任一输入信号产生后3600秒(1小时)内无新的输入信号产生，则结束异常状态判断周期。
89.异常状态类型包括未锁、非法开箱、内部故障、外部破坏共4类，各类异常状态的判断方法如下：
90.1)未锁
91.1个异常状态判断周期内，满足tc》n秒，n由用户自定；
92.2)非法开箱
93.1个异常状态判断周期内，满足ta＝0且tc》5秒，或满足t
(a-c)
》ta；
94.3)内部故障
95.1个异常状态判断周期内，满足ta＝0且tc＝0且tb》0，或满足t
(a-c)
《ta且t
(c-b)
》tc；
96.4)外部破坏
97.1个异常状态判断周期内，满足tb》0且t
(b-c)
》0。
98.下文将结合图6和图7，说明基于软件加密的电能计量用智能锁具实例的外部结构和外部结构：
99.在图6和图7中，1为电路板，实现处理及运算电路的功能；2为串口通信及临时供电二合一接口，实现通信交互端口、电源输入端口的功能；3为can通信、状态量输入、长期供电三合一接口，实现通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口的功能；4为电机，5为减速齿轮组，6为传动器件，7为主锁舌，共同实现锁定器件功能；8为锁舌状态传感器，实现锁定状态传感器功能；9为副锁舌，锁打开时为弹出状态，锁关闭后被门框压入所体内，实现门传感器功能。
100.开锁控制方法如下：
101.通过串口通信及临时供电二合一接口2接入专用的外部供电设备为锁具供电，以及接收开锁控制指令密文。
102.通过电路板1调用加密算法解密指令，并对解密数据进行认证。
103.控制电机4运行，通过减速齿轮组5减速后驱动传动器件6，最终带动主锁舌7动作，
从门框的锁孔中拉出并缩回锁体内，完成开锁，一定时间后电机反向动作带动主锁舌7重新复位，为闭锁做好准备。
104.闭锁控制方法如下：
105.人员手动关闭门体时主锁舌7被挤压缩回，主锁舌7内的弹簧被压缩，主锁舌7对齐门框锁孔后，主锁舌7内的弹簧释放并使锁舌弹入锁孔内，完成闭锁。
106.状态监测方法如下：
107.通过电路板1解析三合一接口3的状态量输入端口信号、锁舌状态传感器8的锁定状态传感器信号、副锁舌9的门传感器信号，并按照状态编码协议进行编码，若电路板1判断存在异常，则通过三合一接口3明文广播状态编码，若电路板1判断达到累计广播次数限制或得到外部设备应答后结束广播。
108.从而，本发明提出的一种基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控方法，可在现有电能计量领域智能锁具基础上达到降低成本、实现电能计量箱/柜状态监测、提高易用性和使用效率三方面效果，从而提高电能计量用智能锁具产品的实用化水平以及新应用场景的适用性。具体为，降低成本方面，采用软件加密算法代替硬件安全模块，在保持现有数据安全水平的前提下，节省了硬件安全模块的材料成本；电能计量箱/柜状态监测方面，具备门传感器和震动、温湿度超限、烟雾超限等各类传感器的状态量输入端口，并按照状态监测方法将状态信息发送至下级设备或主站系统，从而实现对状态的监测；提高易用性和使用效率方面，相较现有方案最大程度简化了开闭锁操作的流程，减少了人员手动操作和软件自动化操作的步骤。
109.以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
110.本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
111.为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

技术特征：
1.一种基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，包括：处理及运算电路、通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定器件、锁定状态传感器、门传感器；其中处理及运算电路用于处理通信交互端口、状态量输入端口、电源输入端口、锁定状态传感器及门传感器接收的数据信号，控制锁定器件动作，运算生成向外部设备发送的数据信号；通信交互端口为与现场作业人员使用的终端设备、计量箱或者柜内部设备、后台主站系统通信交互的数据收发端口；状态量输入端口为接入外部传感器件状态信号的有线端口；电源输入端口为接入外部直流电源的端口；锁定器件为执行开锁控制指令的电驱动器件及被驱动的锁定结构部件；锁定状态传感器为监测锁定结构部件处于开锁或者闭锁状态的传感器；门传感器为监测计量箱或者柜门开闭状态的传感器。2.根据权利要求1所述的基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，处理及运算电路为由处理芯片、电阻、电容、二极管组成的电路板。3.根据权利要求1所述的基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，通信交互端口包括：串口、can接口、usb接口、蓝牙、nfc接口、lora接口、gprs接口、3g接口、4g接口及5g接口。4.根据权利要求1所述的基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，状态量输入端口包括两个接线触点，用于外接机械触点开关、弹簧震动开关、干簧管、霍尔传感器和光线传感器，状态量输入端口设置于锁具外壳表面，供安装使用时连接外部传感器。5.根据权利要求1所述的基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，电驱动器件包括电机、电磁阀及通电收缩金属线。6.根据权利要求1所述的基于软件加密的电能计量用智能锁具，其特征在于，锁定结构部件包括锁舌、锁栓、锁勾、锁环及锁扣。7.一种基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控方法，其特征在于，包括：锁定状态传感器接收信号，状态量输入端口接收信号，门传感器接收信号；处理及运算电路解析锁定状态传感器、状态量输入端口、门传感器接收的信号的状态并编码，得到状态编码；根据状态编码判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态；如果基于软件加密的电能计量用智能锁具存在异常状态，则通过通信交互端口明文广播状态编码；反之，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；通过通信交互端口明文广播状态编码之后，累计广播的次数，并判断广播的次数是否达到预设限值；如果广播的次数达到预设限值，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则判断外部设备是否应答；如果外部设备应答，则结束基于软件加密的电能计量用智能锁具的监控；反之，则重新判断基于软件加密的电能计量用智能锁具是否存在异常状态。

技术总结
本发明公开了一种基于软件加密的电能计量用智能锁具及其监控方法。电能计量用智能锁具包括：处理及运算电路，用于各端口及各传感器接收的数据信号，控制锁定器件动作，运算生成向外部设备发送的数据信号；通信交互端口，为接入外部传感器件状态信号的有线端口；状态量输入端口，为接入外部传感器件状态信号的有线端口；电源输入端口，为接入外部直流电源的端口；锁定器件，为执行开锁控制指令的电驱动器件及被驱动的锁定结构部件；锁定状态传感器，为监测锁定结构部件处于开锁或闭锁状态的传感器；门传感器，为监测计量箱或柜门开闭状态的传感器。态的传感器。态的传感器。


技术研发人员：张宇鹏 刘宣 杜艺娜 唐悦 巫钟兴 刘兴奇 朱子旭 韩月 窦健 郄爽
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12