如何優(yōu)化樓宇和家居自動(dòng)化設計以提高能效

樓宇自動(dòng)化的能量收集

當前很多超低功耗的創(chuàng )新都基于數十年來(lái)一直沿用的紐扣電池設計，但這些組件會(huì )消耗由光能（光伏）、移動(dòng)或無(wú)線(xiàn)射頻能量轉化的電能。能量收集可以為器件提供額外電能，從而大大提高能效。將超低功耗器件和高能效設計結合使用時(shí)，可以將遠程樓宇傳感器的使用壽命延長(cháng)數年之久。超級電容器與低功耗器件中的紐扣電池結合使用或代替紐扣電池時(shí)，可存儲收集到的能量，供器件使用。與一次性電池不同，超級電容器可快速充電。

圖 6.門(mén)把手能量收集測試設置。

能量收集應用：門(mén)把手

轉動(dòng)門(mén)把手即可輕松收集額外的能量，供智能鎖使用。當與電機結合使用時(shí)，電機軸可與減速齒輪集成，將門(mén)把手的慢速轉動(dòng)轉換為電機的更高轉速旋轉，使電機發(fā)電，隨后電能經(jīng)過(guò)整流和調節，可在超級電容器內存儲。

圖 6 顯示了一種可能的設置，通過(guò)對門(mén)把手使用握力計和耦合器來(lái)測試這種能量收集方法。

圖 7 顯示了用于將門(mén)把手的旋轉運動(dòng)轉換為存儲能量的完整電源路徑。此電源路徑具有兩個(gè)負載開(kāi)關(guān)，當超級電容器上的能量足夠高、能夠為系統供電或為電池充電提供能源時(shí)，可減少電池負載。

圖 7.門(mén)把手能量收集電源路徑示例。

DRV8847 雙路 H 橋電機驅動(dòng)器可以從發(fā)電機收集能量。圖 8 顯示了這種電源架構的輸出功率。

圖 8.使用 DRV8847 進(jìn)行整流。

有很多其他的 TI 產(chǎn)品和設計滿(mǎn)足能量收集的工業(yè)需求，例如 《無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源能量收集參考設計》 ，此設計利用一個(gè)零點(diǎn)頻率能量收集開(kāi)關(guān)通過(guò)按鈕按壓操作產(chǎn)生能量。另一個(gè)很好的示例是 《低于1GHz 網(wǎng)絡(luò )的能量收集環(huán)境光和環(huán)境傳感器節點(diǎn)參考設計》 ，此設計采用兩塊集成式太陽(yáng)能電池，能夠通過(guò)收集光伏發(fā)電能量為系統提供額外電能。圖 9 顯示了此能量收集門(mén)把手的輸出以及電機輸出有源整流。

圖 9.能量收集門(mén)把手的輸出電壓。

高能效設計的一個(gè)示例

智能家居設計的一個(gè)核心器件是智能鎖，它能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接收授權用戶(hù)發(fā)出的命令、監控走廊并在無(wú)人工干預的情況下操縱門(mén)鎖。但如果電池壽命和維護經(jīng)常干擾智能鎖的正常運行，智能鎖將無(wú)法獲得主流標準鎖/鑰機制的認可。高能效設計和能量收集有助于將電子智能鎖的壽命延長(cháng)數年之久。

不妨考慮這樣一款高級智能鎖，它可以確保門(mén)栓位于門(mén)框內，而且門(mén)完全關(guān)閉。當用戶(hù)從內側打開(kāi)閂鎖旋轉門(mén)栓時(shí)，會(huì )產(chǎn)生少許能量，這些能量在被收集后可在遠程鎖門(mén)時(shí)用于驗證門(mén)栓位置。很明顯，這只是提議的方法之一，還可以有很多其他方法。

下頁(yè)圖 10 顯示了這種特定方法的方框圖。

圖 10.進(jìn)行能量收集的門(mén)把手位置傳感器的示例方框圖。

在門(mén)框一側有一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌件，可以安裝在門(mén)栓板的背面。這些觸點(diǎn)的內部有一個(gè)特殊電阻值，它會(huì )在觸點(diǎn)之間提供壓降?？梢允褂靡粋€(gè)運算放大器來(lái)比較此電壓，也可以利用一個(gè)超低功耗模數轉換器來(lái)測量輸出電壓以進(jìn)一步提高精度或防止篡改。

當 MCU 驗證了輸出值之后，它會(huì )通過(guò)負載開(kāi)關(guān)切斷為負載提供的電源，以最大限度降低功耗（在關(guān)斷模式下 ≤2nA）。由于外設的無(wú)源性質(zhì)，這種設計非常高效，能夠以非常低的附加成本為智能鎖提供額外的防入侵和篡改安全功能。

圖 11 更詳細地概述了門(mén)栓位置感應應用。

圖 11.門(mén)栓位置感應。

結論

新技術(shù)要想取代成熟但技術(shù)含量低的現有技術(shù)，通常需要具備明顯的優(yōu)勢而且不會(huì )造成任何嚴重負擔。超低功耗的實(shí)現不僅提高了便利性，還提供了幾乎無(wú)需維護的先進(jìn)技術(shù)，成功解決了這些難題。

憑借多年來(lái)可以信賴(lài)的可靠數據見(jiàn)解和計算能力，超低功耗技術(shù)正在重新定義人們對于智能器件的部署位置、部署方式和工作壽命的期望。當第一代電池最終被淘汰之后，這些創(chuàng )新的漣漪效應會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間。