如何優化樓宇和家居自動化設計以提高能效

樓宇自動化的能量收集

當前很多超低功耗的創新都基于數十年來一直沿用的紐扣電池設計，但這些組件會消耗由光能（光伏）、移動或無線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，可以將遠程樓宇傳感器的使用壽命延長數年之久。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，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.門把手能量收集測試設置。

能量收集應用：門把手

轉動門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，電機軸可與減速齒輪集成，將門把手的慢速轉動轉換為電機的更高轉速旋轉，使電機發電，隨后電能經過整流和調節，可在超級電容器內存儲。

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

圖 7 顯示了用于將門把手的旋轉運動轉換為存儲能量的完整電源路徑。此電源路徑具有兩個負載開關，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，可減少電池負載。

圖 7.門把手能量收集電源路徑示例。

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

圖 8.使用 DRV8847 進行整流。

有很多其他的 TI 產品和設計滿足能量收集的工業需求，例如 《無線開關電源能量收集參考設計》 ，此設計利用一個零點頻率能量收集開關通過按鈕按壓操作產生能量。另一個很好的示例是 《低于1GHz 網絡的能量收集環境光和環境傳感器節點參考設計》 ，此設計采用兩塊集成式太陽能電池，能夠通過收集光伏發電能量為系統提供額外電能。圖 9 顯示了此能量收集門把手的輸出以及電機輸出有源整流。

圖 9.能量收集門把手的輸出電壓。

高能效設計的一個示例

智能家居設計的一個核心器件是智能鎖，它能夠通過無線方式接收授權用戶發出的命令、監控走廊并在無人工干預的情況下操縱門鎖。但如果電池壽命和維護經常干擾智能鎖的正常運行，智能鎖將無法獲得主流標準鎖/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數年之久。

不妨考慮這樣一款高級智能鎖，它可以確保門栓位于門框內，而且門完全關閉。當用戶從內側打開閂鎖旋轉門栓時，會產生少許能量，這些能量在被收集后可在遠程鎖門時用于驗證門栓位置。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。

在門框一側有一個簡單的嵌件，可以安裝在門栓板的背面。這些觸點的內部有一個特殊電阻值，它會在觸點之間提供壓降。可以使用一個運算放大器來比較此電壓，也可以利用一個超低功耗模數轉換器來測量輸出電壓以進一步提高精度或防止篡改。

當 MCU 驗證了輸出值之后，它會通過負載開關切斷為負載提供的電源，以最大限度降低功耗（在關斷模式下 ≤2nA）。由于外設的無源性質，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 更詳細地概述了門栓位置感應應用。

圖 11.門栓位置感應。

結論

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

憑借多年來可以信賴的可靠數據見解和計算能力，超低功耗技術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，這些創新的漣漪效應會持續很長時間。