如何優(yōu)化樓宇和家居自動(dòng)化設(shè)計(jì)以提高能效

樓宇自動(dòng)化的能量收集

當(dāng)前很多超低功耗的創(chuàng)新都基于數(shù)十年來一直沿用的紐扣電池設(shè)計(jì)，但這些組件會(huì)消耗由光能（光伏）、移動(dòng)或無線射頻能量轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)結(jié)合使用時(shí)，可以將遠(yuǎn)程樓宇傳感器的使用壽命延長數(shù)年之久。超級(jí)電容器與低功耗器件中的紐扣電池結(jié)合使用或代替紐扣電池時(shí)，可存儲(chǔ)收集到的能量，供器件使用。與一次性電池不同，超級(jí)電容器可快速充電。

圖 6.門把手能量收集測(cè)試設(shè)置。

能量收集應(yīng)用：門把手

轉(zhuǎn)動(dòng)門把手即可輕松收集額外的能量，供智能鎖使用。當(dāng)與電機(jī)結(jié)合使用時(shí)，電機(jī)軸可與減速齒輪集成，將門把手的慢速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的更高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)發(fā)電，隨后電能經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)，可在超級(jí)電容器內(nèi)存儲(chǔ)。

圖 6 顯示了一種可能的設(shè)置，通過對(duì)門把手使用握力計(jì)和耦合器來測(cè)試這種能量收集方法。

圖 7 顯示了用于將門把手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)能量的完整電源路徑。此電源路徑具有兩個(gè)負(fù)載開關(guān)，當(dāng)超級(jí)電容器上的能量足夠高、能夠?yàn)橄到y(tǒng)供電或?yàn)殡姵爻潆娞峁┠茉磿r(shí)，可減少電池負(fù)載。

圖 7.門把手能量收集電源路徑示例。

DRV8847 雙路 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以從發(fā)電機(jī)收集能量。圖 8 顯示了這種電源架構(gòu)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(shè)計(jì)滿足能量收集的工業(yè)需求，例如 《無線開關(guān)電源能量收集參考設(shè)計(jì)》 ，此設(shè)計(jì)利用一個(gè)零點(diǎn)頻率能量收集開關(guān)通過按鈕按壓操作產(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(jié)點(diǎn)參考設(shè)計(jì)》 ，此設(shè)計(jì)采用兩塊集成式太陽能電池，能夠通過收集光伏發(fā)電能量為系統(tǒng)提供額外電能。圖 9 顯示了此能量收集門把手的輸出以及電機(jī)輸出有源整流。

圖 9.能量收集門把手的輸出電壓。

高能效設(shè)計(jì)的一個(gè)示例

智能家居設(shè)計(jì)的一個(gè)核心器件是智能鎖，它能夠通過無線方式接收授權(quán)用戶發(fā)出的命令、監(jiān)控走廊并在無人工干預(yù)的情況下操縱門鎖。但如果電池壽命和維護(hù)經(jīng)常干擾智能鎖的正常運(yùn)行，智能鎖將無法獲得主流標(biāo)準(zhǔn)鎖/鑰機(jī)制的認(rèn)可。高能效設(shè)計(jì)和能量收集有助于將電子智能鎖的壽命延長數(shù)年之久。

不妨考慮這樣一款高級(jí)智能鎖，它可以確保門栓位于門框內(nèi)，而且門完全關(guān)閉。當(dāng)用戶從內(nèi)側(cè)打開閂鎖旋轉(zhuǎn)門栓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生少許能量，這些能量在被收集后可在遠(yuǎn)程鎖門時(shí)用于驗(yàn)證門栓位置。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)行能量收集的門把手位置傳感器的示例方框圖。

在門框一側(cè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌件，可以安裝在門栓板的背面。這些觸點(diǎn)的內(nèi)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(yùn)算放大器來比較此電壓，也可以利用一個(gè)超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器來測(cè)量輸出電壓以進(jìn)一步提高精度或防止篡改。

當(dāng) MCU 驗(yàn)證了輸出值之后，它會(huì)通過負(fù)載開關(guān)切斷為負(fù)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(shè)的無源性質(zhì)，這種設(shè)計(jì)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(xì)地概述了門栓位置感應(yīng)應(yīng)用。

圖 11.門栓位置感應(yīng)。

結(jié)論

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

憑借多年來可以信賴的可靠數(shù)據(jù)見解和計(jì)算能力，超低功耗技術(shù)正在重新定義人們對(duì)于智能器件的部署位置、部署方式和工作壽命的期望。當(dāng)?shù)谝淮姵刈罱K被淘汰之后，這些創(chuàng)新的漣漪效應(yīng)會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。