如何優(yōu)化樓宇和家居自動(dòng)化設計以提高能效

根據聯(lián)合國的研究，建筑和施工業(yè) 占2018年全球能源消耗的36％ ，產(chǎn)生了令人擔憂(yōu)的碳足跡，而且這一能耗百分比還在持續增長(cháng)。這些數據為我們敲響了警鐘。

因此，如何解決這一問(wèn)題迫在眉睫。工業(yè)設計工程師希望提高樓宇的能源效率，以降低公用事業(yè)成本并減少碳足跡。為真正提高效率，設計師必須同時(shí)關(guān)注新建筑和現有樓宇，擴建以及運營(yíng)和維護帶來(lái)的持續上漲的成本。

與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的技術(shù)在提高能效方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用。傳感器可根據其感測的環(huán)境條件自動(dòng)關(guān)閉燈、暖氣或任何其他耗電系統。與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的器件是樓宇自動(dòng)化的重要組成部分，主要因為它可以匯總在中央樓宇管理系統儀表板中生成的所有數據，通過(guò)這些數據，微調系統可以在一個(gè)精心設計、算法驅動(dòng)的程序中做出響應。

圖1：樓宇中與IoT連接的控件的示例

事倍功半

物聯(lián)網(wǎng)連接的器件依靠電力運行。特別是對于較舊樓宇，電池是最簡(jiǎn)易、最省錢(qián)的供電方式，因為它們無(wú)需接線(xiàn)。面臨的挑戰是如何設計功耗少的傳感器電路，使得與物聯(lián)網(wǎng)相連的器件可在單個(gè)紐扣電池上長(cháng)時(shí)間運行。

納米供電組件可有效應對這一挑戰，此類(lèi)組件的平均電流消耗可以納安 (nA)（1安培的十億分之一）為單位來(lái)測量。為便于說(shuō)明舉個(gè)例子，遠程無(wú)線(xiàn)智能樓宇傳感器中使用的標準CR2032 紐扣電池在10年內可提供約2,100nA的電流。電池尺寸減小可使器件變得更小、更輕，從而更好地改裝到電力不普及的現有工業(yè)廠(chǎng)房或較舊設施中。

為促進(jìn)樓宇自動(dòng)化，設計工程師必須明確如何降低IoT器件的能耗。由于智能樓宇包含許多此類(lèi)器件，因此更換電池的成本迅速增加，降低電池更換成本變得更加緊迫。

單個(gè)納米供電組件本身功耗很少，因此，使用更節能的組件替換設計中的現有電路組件顯然可有效減少能耗。此外，將納米供電集成電路（IC）集成到新器件中可幫助減少能耗，因為只有在需要時(shí)才能激活耗能大件，并從日常建筑操作中收集、儲存和使用少量的能源。

納米供電集成電路可實(shí)現智能能耗

監控樓宇安全一直是樓宇運行和維護的重要方面。我們預測樓宇安全市場(chǎng)將穩步增長(cháng)，這一增長(cháng)無(wú)疑將促使相關(guān)的嵌入式傳感器器件向更加節能的方向發(fā)展。

例如德州儀器（TI）的DRV5055霍爾效應傳感器可通過(guò)感測磁場(chǎng)運動(dòng)來(lái)追蹤視場(chǎng)中的運動(dòng)。例如，在模塊中組合兩種此類(lèi)傳感器可測量門(mén)的打開(kāi)角度，但傳感器需要一直保持開(kāi)啟狀態(tài)，且每個(gè)傳感器都會(huì )消耗大量的電流。為緩解此問(wèn)題，一種方法是并入一個(gè)額外的諸如TI的DRV5032納米供電霍爾效應開(kāi)關(guān)，將其作為負載開(kāi)關(guān)。這一小型組件的功耗很小，在檢測到運動(dòng)之前可斷開(kāi)能耗較大的霍爾效應傳感器的電源連接，檢測到運動(dòng)之后為其通電。

還有一種方法是使用納秒計時(shí)器和負載開(kāi)關(guān)，將高功耗器件（有時(shí)是微控制器）置于更深的電源睡眠狀態(tài)。負載開(kāi)關(guān)可根據預定調度表激活高功耗器件，并在完成后關(guān)閉器件。納秒計時(shí)器可調節時(shí)間范圍寬泛，以適應各類(lèi)輪詢(xún)頻率。將輪詢(xún)頻率設置為高延遲值時(shí)，納米供電集成電路可節省更多能量。

納米供電集成電路收集能量

想象一下門(mén)把手的旋轉，如果該簡(jiǎn)易動(dòng)作產(chǎn)生的能量可為智能鎖供電，會(huì )發(fā)生什么情況？納米供電集成電路實(shí)現了這一策略性的能量收集方式。

門(mén)把手可連接到與減速器集成在一起的電動(dòng)軸上。門(mén)把手緩慢轉動(dòng)會(huì )轉化為更高的電機RPM旋轉，可用作發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電，并且在超級電容器中整流和調節能量。例如，TI的DRV8847雙H橋電機驅動(dòng)可以從發(fā)電機中收集能量。

當超級電容器儲能足以為傳感器供電時(shí)，諸如TI的TPS2291x系列之類(lèi)的負載開(kāi)關(guān)會(huì )將電路從電池切換至電容器，并在不需要使用電池時(shí)啟用/禁用某些門(mén)鎖功能，以最大限度地延長(cháng)電池壽命。另外，電容器還可以為電池充電提供能量源。這種情況下，可使用諸如TPS62840等低IQ降壓轉換器最大化超級電容的輸出。

結論

納米供電的設備和集成電路具有革新樓宇自動(dòng)化設計的潛力。它們不僅通過(guò)自身低功耗實(shí)現這一目標，還通過(guò)提供創(chuàng )新解決方案來(lái)降低每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)驅動(dòng)器件的總能耗。

降低能耗可延長(cháng)這些器件的電池壽命，使建筑和施工業(yè)更接近智能化的設施管理。鑒于智能設施管理可在減少樓宇的碳足跡中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此納米供電組件的優(yōu)勢也將會(huì )發(fā)揮作用。