一种基于反磁场控制的智能门禁系统

本发明涉及智能安防与出入控制，具体为一种基于反磁场控制的智能门禁系统。

背景技术：

1、目前，住宅社区与办公楼宇的通道门禁系统主要分为手动接触式门禁与全自动感应门禁两大类。手动接触式门禁通常采用机械钥匙、射频卡或密码进行身份验证，虽然解决了通行权限的识别问题，但在物理开启环节仍严重依赖用户的人力推拉操作。对于老年人、儿童等体能较弱的群体，或者双手提拿重物、抱持婴幼儿的居民而言，在通过身份验证后仍需施加较大的推力克服闭门器的阻力或磁力锁的吸力才能打开门体，这种操作方式存在的便捷性短板，难以满足全龄化社区的无障碍通行需求。

2、为了解决开启费力的问题，部分场所采用了基于电机驱动的全自动感应门禁系统。此类系统通过微波或红外感应触发电机带动减速机构运行，实现门体的自动开合。然而，这种电机驱动方案导致系统的硬件造价高昂，且复杂的传动部件需要频繁的润滑与检修，长期运行的维护成本和能耗较高，难以在普通老旧小区改造中大规模推广。此外，全自动门禁系统通常需要独立配置位置传感器（如霍尔传感器或行程开关）来反馈门体状态，这增加了现场布线的复杂度与故障节点。

3、在安全性与应急响应方面，现有的电磁锁门禁多采用断电开锁或通电开锁的单一逻辑。在依赖电机驱动或纯电磁吸附的系统中，一旦发生火灾导致市电中断，若备用电源容量不足以驱动电机运转，或者系统缺乏有效的断电解锁机制，门体因机械自锁或剩磁影响而难以开启，从而阻碍人员的紧急疏散。同时，在门体自动回位过程中，若缺乏对门体运动状态的实时精确感知与动力学匹配，容易出现因关门力矩过大而夹伤通行缓慢人员，或因力矩不足导致门体无法完全锁闭的安全隐患。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于反磁场控制的智能门禁系统，解决了现有手动门禁因依赖人力推拉导致老年人及负重用户通行不便，全自动门禁因依赖电机驱动导致建设维护成本高昂且布线复杂，以及常规电磁门禁在断电应急解锁与回位防夹控制方面缺乏有效安全保障的问题。

2、为实现以上目的，本发明提供一种基于反磁场控制的智能门禁系统，该系统包括控制与驱动单元、双效电磁执行组件、磁力吸附与负刚度组件、身份验证模块、人体感应模块以及电源模块。各模块连接构成闭环控制系统，控制与驱动单元分别与双效电磁执行组件、身份验证模块、人体感应模块及电源模块建立电气连接。

3、所述磁力吸附与负刚度组件包括安装于门体上的永磁体单元和安装于门体旋转轴处的磁性负刚度铰链。所述永磁体单元设置于门体对应所述双效电磁执行组件的位置，在门体闭合状态下与双效电磁执行组件产生静态吸附力，维持门体锁止。

4、所述磁性负刚度铰链连接门体与门框，配置为在门体开启的不同角度区间内提供非线性的回位力矩。通过正刚度与负刚度的力学配合，在门体开启初期平衡闭门阻力矩，并在回位末期提供闭合势能。

5、所述控制与驱动单元被配置为执行以下控制：响应于身份验证模块的触发信号，向双效电磁执行组件输出反向消磁电流，产生与永磁体单元极性相反的磁场以抵消静态吸附力，实现门体解锁；在门体回位过程中，向双效电磁执行组件注入高频探测信号并采集反馈的电参数，以检测门体运动状态；将检测到的运动状态与磁性负刚度铰链的力学特征进行匹配，当判定门体符合预设闭合条件时，向双效电磁执行组件输出正向助吸电流，产生正向助吸磁场辅助门体闭锁。

6、进一步地，所述磁性负刚度铰链内部采用机械正刚度与磁性负刚度并联耦合的结构。该结构包括提供线性闭门力矩的正刚度弹性元件，以及由同轴嵌套的内定子磁环和外转子磁环构成的负刚度磁性阵列。内定子磁环与外转子磁环的磁极相位存在预设的偏置角，使得在门体闭合位置时，定子磁极与转子磁极处于同极性相斥且非中心对齐的状态，产生指向开启方向的切向排斥分力。该排斥分力用于在门体开启初期抵消正刚度弹性元件的部分闭门力矩。

7、进一步地，所述双效电磁执行组件包括导磁芯体、密绕于导磁芯体上的励磁线圈以及将导磁芯体与励磁线圈固定于门框内侧的非导磁封装支架。该组件为单端口器件，通过时间分片方式在执行器模式与传感器模式之间切换。在执行器模式下，励磁线圈通入直流驱动电流，产生正向助吸电流或反向消磁电流。在传感器模式下，励磁线圈通入高频正弦微电流信号，控制与驱动单元通过检测线圈复数阻抗的虚部变化解析出等效电感，进而获得门体的位置与速度信息。

8、进一步地，所述控制与驱动单元包括微控制器、全桥拓扑结构的功率驱动电路以及并联于功率输出端的信号注入与调理电路。微控制器控制功率驱动电路在正向驱动、反向驱动及高阻信号注入状态间切换。在阻抗分析与刚度匹配运算中，微控制器实时计算双效电磁执行组件的等效电感值及其变化率以生成当前特征序列，并将其与预存储的基准特征序列进行互相关运算。当相关系数超过预设阈值且电感值符合位置条件时，判定满足刚度匹配条件并触发正向助吸电流输出。

9、进一步地，系统还包括电源模块，所述电源模块包括一级交直流转换单元、复合储能电路和连接于一级交直流转换单元输出端口处的掉电检测电路。复合储能电路并联于直流母线，包含串联连接的限流电阻和超级电容组，以及并联于限流电阻两端的快放二极管。快放二极管的阳极连接超级电容组正极，阴极连接直流母线。该电路结构在充电时通过限流电阻限制电流，在放电时通过快放二极管旁路电阻，以响应双效电磁执行组件的瞬态大电流需求。当外部供电中断时，控制与驱动单元响应掉电检测电路的中断信号，利用超级电容组储存的能量驱动双效电磁执行组件持续输出反向消磁电流，在预设时间内维持门体处于无磁力锁定状态。

10、进一步地，所述人体感应模块用于监测门体通行区域是否存在人体或障碍物。当检测到有人存在时，控制与驱动单元强制禁止正向助吸电流的输出并挂起自动关门流程。此外，控制与驱动单元在输出初始幅值的反向消磁电流后，控制该电流遵循预设的时间衰减函数逐渐降低，使得静态吸附力逐步恢复。

11、本发明提供了一种基于反磁场控制的智能门禁系统。具备以下有益效果：

12、1、本发明通过控制双效电磁执行组件输出反向消磁电流，产生反向消磁磁场与永磁体单元的固有磁场进行矢量抵消，降低了门体闭锁状态下的静态吸附力；同时，配合磁性负刚度铰链产生的指向开启方向的切向排斥分力，在门体开启初期有效抵消了部分正刚度弹性元件的闭门阻力。利用电磁解锁与机械负刚度辅助的耦合机制，实现了门体的微阻力开启，有效解决了老年人、儿童及双手负重用户在无电机辅助下开门困难的问题。

13、2、本发明利用双效电磁执行组件的时间分片控制机制，在单端口器件上同时实现了执行器模式的大电流驱动与传感器模式的高频微电流阻抗检测功能。去除了传统门禁系统中独立的霍尔位置传感器或行程开关，简化了硬件结构与布线复杂度，降低了系统的制造成本与故障率；同时，基于刚度匹配识别的闭环控制逻辑能够精准判定门体回位状态，避免了误触发正向助吸电流，提升了系统的运行可靠性。

14、3、本发明采用包含超级电容组与快放二极管的复合储能电路，实现了慢充快放的供电特性，既满足了电磁组件产生高强度助吸或消磁磁场时的瞬态功率需求，又降低了对建筑供电网的冲击。特别是在外部市电中断时，控制单元能够利用储能电路的剩余能量持续输出反向消磁电流，使门体在预设的逃生窗口时间内保持无磁力锁定的零阻力状态，完全满足消防逃生与断电安全的强制性要求。