如何优化楼宇和家居自动化设计以提高能效
楼宇自动化的能量收集
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202005/413707.htm当前很多超低功耗的创新都基于数十年来一直沿用的纽扣电池设计，但这些组件会消耗由光能（光伏）、移动或无线射频能量转化的电能。能量收集可以为器件提供额外电能，从而大大提高能效。将超低功耗器件和高能效设计结合使用时，可以将远程楼宇传感器的使用寿命延长数年之久。超级电容器与低功耗器件中的纽扣电池结合使用或代替纽扣电池时，可存储收集到的能量，供器件使用。与一次性电池不同，超级电容器可快速充电。
图 6.门把手能量收集测试设置。
能量收集应用：门把手
转动门把手即可轻松收集额外的能量，供智能锁使用。当与电机结合使用时，电机轴可与减速齿轮集成，将门把手的慢速转动转换为电机的更高转速旋转，使电机发电，随后电能经过整流和调节，可在超级电容器内存储。
图 6 显示了一种可能的设置，通过对门把手使用握力计和耦合器来测试这种能量收集方法。
图 7 显示了用于将门把手的旋转运动转换为存储能量的完整电源路径。此电源路径具有两个负载开关，当超级电容器上的能量足够高、能够为系统供电或为电池充电提供能源时，可减少电池负载。
图 7.门把手能量收集电源路径示例。
DRV8847 双路 H 桥电机驱动器可以从发电机收集能量。图 8 显示了这种电源架构的输出功率。
图 8.使用 DRV8847 进行整流。
有很多其他的 TI 产品和设计满足能量收集的工业需求，例如 《无线开关电源能量收集参考设计》 ，此设计利用一个零点频率能量收集开关通过按钮按压操作产生能量。另一个很好的示例是 《低于1GHz 网络的能量收集环境光和环境传感器节点参考设计》 ，此设计采用两块集成式太阳能电池，能够通过收集光伏发电能量为系统提供额外电能。图 9 显示了此能量收集门把手的输出以及电机输出有源整流。
图 9.能量收集门把手的输出电压。
高能效设计的一个示例
智能家居设计的一个核心器件是智能锁，它能够通过无线方式接收授权用户发出的命令、监控走廊并在无人工干预的情况下操纵门锁。但如果电池寿命和维护经常干扰智能锁的正常运行，智能锁将无法获得主流标准锁/钥机制的认可。高能效设计和能量收集有助于将电子智能锁的寿命延长数年之久。
不妨考虑这样一款高级智能锁，它可以确保门栓位于门框内，而且门完全关闭。当用户从内侧打开闩锁旋转门栓时，会产生少许能量，这些能量在被收集后可在远程锁门时用于验证门栓位置。很明显，这只是提议的方法之一，还可以有很多其他方法。
下页图 10 显示了这种特定方法的方框图。
图 10.进行能量收集的门把手位置传感器的示例方框图。
在门框一侧有一个简单的嵌件，可以安装在门栓板的背面。这些触点的内部有一个特殊电阻值，它会在触点之间提供压降。可以使用一个运算放大器来比较此电压，也可以利用一个超低功耗模数转换器来测量输出电压以进一步提高精度或防止篡改。
当 MCU 验证了输出值之后，它会通过负载开关切断为负载提供的电源，以最大限度降低功耗（在关断模式下 ≤2nA）。由于外设的无源性质，这种设计非常高效，能够以非常低的附加成本为智能锁提供额外的防入侵和篡改安全功能。
图 11 更详细地概述了门栓位置感应应用。
图 11.门栓位置感应。
结论
新技术要想取代成熟但技术含量低的现有技术，通常需要具备明显的优势而且不会造成任何严重负担。超低功耗的实现不仅提高了便利性，还提供了几乎无需维护的先进技术，成功解决了这些难题。
凭借多年来可以信赖的可靠数据见解和计算能力，超低功耗技术正在重新定义人们对于智能器件的部署位置、部署方式和工作寿命的期望。当第一代电池最终被淘汰之后，这些创新的涟漪效应会持续很长时间。
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