如何優化樓宇和家居自動化設計以提高能效

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

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

與物聯網（IoT）相關的技術在提高能效方面起著至關重要的作用。傳感器可根據其感測的環境條件自動關閉燈、暖氣或任何其他耗電系統。與物聯網相關的器件是樓宇自動化的重要組成部分，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，通過這些數據，微調系統可以在一個精心設計、算法驅動的程序中做出響應。

圖1：樓宇中與IoT連接的控件的示例

事倍功半

物聯網連接的器件依靠電力運行。特別是對于較舊樓宇，電池是最簡易、最省錢的供電方式，因為它們無需接線。面臨的挑戰是如何設計功耗少的傳感器電路，使得與物聯網相連的器件可在單個紐扣電池上長時間運行。

納米供電組件可有效應對這一挑戰，此類組件的平均電流消耗可以納安 (nA)（1安培的十億分之一）為單位來測量。為便于說明舉個例子，遠程無線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廠房或較舊設施中。

為促進樓宇自動化，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將穩步增長，這一增長無疑將促使相關的嵌入式傳感器器件向更加節能的方向發展。

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

還有一種方法是使用納秒計時器和負載開關，將高功耗器件（有時是微控制器）置于更深的電源睡眠狀態。負載開關可根據預定調度表激活高功耗器件，并在完成后關閉器件。納秒計時器可調節時間范圍寬泛，以適應各類輪詢頻率。將輪詢頻率設置為高延遲值時，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

想象一下門把手的旋轉，如果該簡易動作產生的能量可為智能鎖供電，會發生什么情況？納米供電集成電路實現了這一策略性的能量收集方式。

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

當超級電容器儲能足以為傳感器供電時，諸如TI的TPS2291x系列之類的負載開關會將電路從電池切換至電容器，并在不需要使用電池時啟用/禁用某些門鎖功能，以最大限度地延長電池壽命。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化設計的潛力。它們不僅通過自身低功耗實現這一目標，還通過提供創新解決方案來降低每個物聯網驅動器件的總能耗。

降低能耗可延長這些器件的電池壽命，使建筑和施工業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揮關鍵作用，因此納米供電組件的優勢也將會發揮作用。