据Mordor Intelligence调研数据,2020年全球智能门锁市场规模达到31亿美元,年复合增长率或高达15．4%,预计2026年将达到80亿美元左右;此外,亚太市场的增速最快,预计2021-2028年年复合增长率可达24%。另据洛图科技(RUNTO)调研数据,2020年中国智能门锁销量为1640万套,同比增长幅度为17%。智能门锁是踏入智能家居的入门关?如今中国的智能门锁在售品牌早已超过上千个。
智能门锁是指基于传统机械锁改进的,在住户识别、安全守护和智能管理方面有所创新,兼具安全、便利、先进技术等复合型锁具。常见的智能门锁物理结构一般由前面板(前把手、按键/触控/刷卡/摄像/指纹/虹膜等模块、显示模块、机械钥匙孔、锁体前壳等)、中心主体(主控板及通讯模块、语音/蜂鸣器、灯条控制板、传动机构、前固定板、后固定板等)、后面板(保险开关、电池仓盖、后把手、传动机构、反锁旋钮、锁体后壳等)组成。智能门锁的技术构成除一般的机械传动技术外,还包含识别与控制技术(生物识别、RFID、密码控制等)、通信技术(Wi-Fi/蓝牙/Zigbee/NB-IoT/LoRa等)。
图1 智能门锁物理结构图
智能门锁按开锁技术和方式,可分为密码锁、射频卡锁、指纹锁、人脸识别锁、静脉识别锁、虹膜识别锁、通讯解锁等。大部分智能门锁都可与住户手机建立连接,为用户提供防撬、开关锁记录与提醒、警报、可视监控、设置临时密码等功能。随着指纹和人脸识别等生物识别技术在智能手机或其他应用领域的广泛应用与成熟,不带钱包不带卡不带钥匙的生活方式大行其道,机械门锁逐渐被取代,根据调研数据在生物识别类门锁中,指纹锁目前占据着市场主流,占比高达92%,另外人脸识别门锁的市场占比大约是6%,虹膜和声纹识别分别占据1%。
图2 智能门锁硬件结构图(来源:国民技术)
新兴开锁和通讯技术是门锁智能化的真核,对应的芯片及模组也就成为核心元器件,我们从元器件选型角度简单剖析一下。
一、指纹识别是指利用用户指纹进行身份认证和开锁,类比手机指纹解锁,较为便利,难点在于浅指纹、破损指纹、太干太湿指纹的识别与容错,这就需要芯片和算法的配合,指纹识别也还是存在被破解的风险。以下是部分芯片或模组:
| 品牌 | 型号 | 特点 |
| FPC | FPC1011/FPC2020 | 电容式指纹传感器 |
| 贝特莱(BETTERLIFE) | BF82160 | 160*160的像素阵列 |
| 芯启航(CHIPSAILING) | CS3211/CS3216/CS9511 | 超低功耗电容按压式 |
| 指芯(FINGER CRYSTAL) | FM118B/FM118A/FM138A | 电容式一体化指纹模块 |
| 邦融(BRMICRO) | BS500C | 半导体指纹传感器 |
| 指昂科技(ZHIANG) | ZAZ-0A0 | 圆形一体指纹模块 |
| 魔力(ML) | ML8192/ML-FPl002 | 集成指纹识别算法 |
| 艾迪沃德(IDWORLD) | ID809/808 | 指纹算法芯片 |
| 微正(MICROZERO) | MZ1011V5 | 高性价比圆形半导体指纹模块 |
| 迈瑞微(MICROARRAY) | MFM018A | 指纹模块 |
| 晟元(SYNOCHIP) | AS578 | 第六代指纹识别算法芯片 |
| 十指科技(SZZW) | TFS-K71/TFS-K75/TFS-K76 | 指纹锁模块 |
二、人脸识别在金融、政务或公安系统中已得到广泛应用,用在智能门锁除了也得具备相同的安全性和稳定性,离线化和降低成本也是必要的。最好是同步应用当前的3D人脸识别技术,不易受姿态、表情、光线等因素影响,同时能防止照片、视频、头套等攻击,精度较高、安全性强。双目立体视觉、结构光、 ToF是主流技术,以下是相关芯片或模组:
| 品牌 | 型号 | 特点 |
| 奥比中光(ORBBEC) | MX6000 | 已用于支付宝刷脸终端 |
| 奥比中光(ORBBEC) | MX6300 | 已用于OPPO Find X手机 |
| 瑞芯微(ROCKCHIP) | RMSL212 | 安全防拆 |
| 瑞芯微(ROCKCHIP) | RV1126 | 安防级ISP,Turnkey 软件+硬件方案 |
| 长光华芯(EVERBRIGHT) | VCSEL-1W-808 CW | 应用于ToF 3D传感方案 |
| 商汤(SENSETIME) | SenseID智能人脸识别模组 | 已用于TCL K6X智能门锁 |
| 清微智能(TSING MICRO) | TX510 3D人脸识别模组 | 集3D结构光相机模组、人脸识别算法、传感器于一体 |
| 英特尔(INTEL) | RealSense ID F450/455 | 即插即用的3D人脸识别模组 |
| 埃瓦科技(AIVA) | A31L18 | 符合国家认证的金融支付级安全标准 |
| 肇观电子(NEXTVPU) | NE-D163A | 集成了高精度的CVKit™ VSLAM 和3D深度计算引擎 |
| 艾芯智能(AX) | AXON MF1 | 3D ToF人脸识别门锁模块 |
阜时科技(FORTSENSE) | 3D结构光模组 | 已用于多款智能门锁 |
| 瑞识科技(RAYSEES) | TR85C**-H12C | 应用于ToF 3D传感方案 |
| 海凌科(HI-LINK) | HLK-T210 | 智能AI离线人脸识别模块 |
| 勘智(KENDRYTE) | K210 | RISC-V指令集架构AI芯片 |
| 小钴科技(GCO) | AF-MD01B00-X01/AF-MD01B00-X02 | 3DM模组 |
| 熵基科技(ZKTECO) | FAM520 | 集成了人脸算法加密芯片的一款高性能人脸模组 |
三、虹膜识别是基于眼睛中的虹膜进行身份识别,误识率低、难伪造、难复制,一度被誉为最精准、最安全的生物特征识别法,还能实现戴口罩的识别,当前智能手机上尚未普及,所以智能门锁上应用率极低。以下是相关芯片或模组:
| 品牌 | 型号 | 特点 |
| 虹识技术(HOMSH) | Q32 | 虹膜识别比对应用单芯片解决方案 |
| 虹识技术(HOMSH) | HS-QMOD-ERM401 | ASIC芯片双目虹膜模组 |
| 中科虹霸(IRISKING) | SLM1000 | 自动对焦模组,嵌入式虹膜识别 |
| 舜宇(SUNNY OPTICAL) | SW02A | 可应用于虹膜光学识别分析的摄像模组 |
四、声纹、掌纹、指静脉、基因等生物识别技术,在智能门锁上应用率更低,在此略过。
五、密码识别、RFID/NFC识别的智能门锁主要落地在酒店、公寓等应用场景;远程开锁要求智能门锁联网,目前主要采用WiFi、蓝牙、ZigBee、NB-IoT等组网方式,以下是相关芯片或模组:
| 品牌 | 型号 | 特点 |
| 致远(ZLG) | ZM32系列 | 基于Silicon Labs EFR32MG1系列芯片设计的高性能ZigBee透传模块 |
| 致远(ZLG) | ZM7100NB-IOT | 支持电信和移动频段的NB-IOT无线通信模组 |
| 致远(ZLG) | LTM400TU | LoRa模组,休眠电流仅有1uA,定时休眠电流2uA |
| 国民技术 (NATIONS) | N32G4FRx | 低功耗32位主控芯片,集成了指纹识别算法、安全组件 |
| 国民技术 (NATIONS) | N32WB4x | 低功耗32位主控芯片,集成了指纹识别算法、安全、 BLE5．0 蓝牙组件 |
| 宏思电子(HSEC) | SSX1820 | 内置1KByte的BPK RAM区域,密钥、PIN及敏感数据等将被存储在此区域 |
| 英飞凌/赛普拉斯(INFINEON/CYPRESS) | PSoC64 | 内置Wi-Fi / 蓝牙模块,安全保护 |
| 龙芯(LOONGSON) | 龙芯1C101 | 集成触摸、语音控制单元,待机功耗为30uA以下,最大动态电流小于280mA |
| 紫光国微(GUOXIN MICRO) | THD89 | 国际SOGIS互认的CCEAL6+安全认证芯片 |
| 德州仪器(TI) | CC2530 | 基于IEEE 802．15．4协议的Zigbee芯片 |
| 芯科(SILICON LABS) | EM357/EFR32 | 组网规模大,稳定性强的Zigbee芯片 |
| 芯旺(CHIPON) | KF32L530 | 集成指纹和音频算法、Touchkey,LCD,PGA,CMP以及12BitDAC等功能 |
图3 部分WiFi芯片原厂(来源:物联网智库)
图4 部分NB-IOT芯片或模块提供商(来源:ZLG致远电子)
图5 ZigBee生态系统(来源:智慧产品圈)
智能门锁实现智能开锁还需搭配电机控制机械锁体,以下是相关选型表:
| 品牌 | 型号 | 特点 |
| 劲力(JL) | FF-N20WE | 电机循环使用10-15万次以上 |
| 德昌电机(JOHNSON ELECTRIC) | NFC03/NFA03 | 高抗干扰的低压直流电机 |
| 天孚电机(TIANFUMOTOR) | TF-GM12N20-08230 | 可按客户要求进行微电机性能,安装,电源连接方式以及外型尺寸设计改动 |
| 超力电机(CLCZH) | CL-FGW74-RS365-A | 涡轮蜗杆减速电机 |
| 秦基(QINJI) | QJ-24GF130-734 | 5V直流减速电机 |
最后,智能门锁研发与设计过程中需遵循的安全或行业标准:
1、《锁具安全通用技术条件》(GB21556-2008);
2、《电子防盗锁》(GA/T374-2001);
3、《指纹防盗锁通用技术条件》(GA/T701-2007);
4、《智能门锁自动控制模块技术要求》(T/ZSPH 01-2021)。
图6 智能门锁模块结构图(来源:全国智标委)
工程师要从零开始设计和研发一款智能门锁,难度看起来并不小,希望这篇文章提供一些技术和选型参考。拍明芯城作为快速撮合的元器件交易平台,聚焦服务长尾市场的中小微电子企业,帮助每一颗芯片的Design In、Design Win和流通买卖更高效,深入落地到千行万业,做最好的元器件搬运工和SaaS工具提供商,帮原厂和代理商卖好芯片,为工程师提供更好的支持!
封面图来源:工业设计
