智能家居鎖和門禁控制的智能設(shè)計(jì)技巧

智能家居和先進(jìn)樓宇自動(dòng)化的快速發(fā)展得益于智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 技術(shù)的結(jié)合。這些技術(shù)提供了更高的安全性、自動(dòng)化和控制力，為房主和辦公室居住者提供了更高的便利性、舒適性和更高的安全性。無論房主或辦公室居住者身在何處，他們都可以輕松查看門鎖和門窗的狀態(tài)。

當(dāng)今設(shè)計(jì)建筑和家庭安全產(chǎn)品的工程師需要確保他們的設(shè)備不會(huì)給客戶帶來虛假的安全感。提高整體可靠性和安全性的一個(gè)重要步驟是了解符合適用標(biāo)準(zhǔn)所需的保護(hù)和傳感組件，以確保產(chǎn)品安全、堅(jiān)固和可靠。

僅智能鎖市場(chǎng)就出現(xiàn)了高速增長(zhǎng)和創(chuàng)新，預(yù)計(jì)全球增長(zhǎng)將達(dá)到25%，到23年單位增長(zhǎng)將擴(kuò)大到約2024萬臺(tái)1.住宅市場(chǎng)約占70%，占增長(zhǎng)的大部分。對(duì)個(gè)人安全需求的認(rèn)識(shí)提高也將推動(dòng)全球門窗傳感器的增長(zhǎng)，特別是在發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體。預(yù)計(jì)到465年出貨量將以約2024%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)至約<>.<>億輛2.

保護(hù)智能鎖設(shè)計(jì)

智能鎖包括手動(dòng)訪問鍵盤、通過軟件應(yīng)用程序訪問的智能手機(jī)無線協(xié)議鏈接、監(jiān)控門把手位置的傳感器、門鎖/解鎖執(zhí)行器以及檢測(cè)任何繞過鎖的嘗試的傳感。圖1提供了一個(gè)智能門鎖示例，具有推薦的電路保護(hù)和傳感功能，以確?？煽窟\(yùn)行。圖2顯示了智能鎖的詳細(xì)框圖，并建議放置保護(hù)和傳感元件。

智能鎖電子設(shè)備的主要危險(xiǎn)是靜電放電 （ESD）。無線和用戶界面容易受到最終用戶的ESD影響。

用戶界面提供了一個(gè)鍵盤，一個(gè)人必須用手指接觸才能輸入預(yù)編程的訪問代碼。所有用戶都是ESD的來源，特別是在非常干燥的環(huán)境中。設(shè)計(jì)人員應(yīng)保護(hù)用戶界面電路免受ESD影響，以避免損壞敏感電子器件。

圖2.智能鎖框圖

考慮使用瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管或 TVS 二極管陣列進(jìn)行 ESD 保護(hù)。TVS二極管是利用硅雪崩技術(shù)的齊納二極管，可提供±15 kV的ESD電壓的最低保護(hù)水平。具有多達(dá)六個(gè)齊納二極管的 TVS 二極管陣列可以保護(hù)五條信號(hào)線并提供接地參考（圖 3）。在 0402 表面貼裝封裝的一個(gè)節(jié)省空間的組件中，TVS 二極管陣列可保護(hù)多達(dá) 1 條線路。由于TVS二極管陣列的漏電流僅為4 μA，因此對(duì)電路的影響很小。如果需要更多ESD保護(hù)，單個(gè)二極管可以為單個(gè)信號(hào)線提供ESD保護(hù)。單個(gè)TVS二極管（圖30）可承受高達(dá)±<> kV的電壓。無論使用何種配置，TVS二極管都應(yīng)盡可能靠近電路輸入，以防止任何ESD瞬變穿透電路。

圖3.示例 5 線 TVS 二極管陣列

圖4.單個(gè)TVS二極管

無線接口鏈接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線 LAN 或 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，以便與智能手機(jī)或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。由于無線接口暴露在外部環(huán)境中，因此需要ESD保護(hù)。推薦使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的優(yōu)點(diǎn)是能夠響應(yīng)和吸收任何ESD瞬變，同時(shí)對(duì)無線接口輸出的特性阻抗影響很小。聚合物 ESD 抑制器可承受直接接觸 ±8 kV ESD 和空襲 ±15 kV。典型電容為0.06 pF，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間極快，瞬態(tài)低于1 ns。確保ESD抑制器盡可能靠近輸入天線的連接器。圖5顯示了雙向聚合物ESD抑制器的兩種配置。

圖5.雙向聚合物ESD抑制器配置

智能鎖感應(yīng)建議

確保門完全固定在門框上需要每個(gè)位置的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。考慮將帶有磁性致動(dòng)器的磁簧開關(guān)作為電池供電智能鎖的低功耗傳感解決方案。干簧開關(guān)不需要驅(qū)動(dòng)電源，可以切換 10 W，額定值高達(dá) 0.5 A 或高達(dá) 200 V，并且密封，可在室外環(huán)境中延長(zhǎng)使用壽命。干簧開關(guān)非常適合用于低壓控制器電路。表面貼裝版本可用于自動(dòng)印刷電路板組裝。

由于它們?cè)O(shè)計(jì)用于安裝在門框上，因此建議使用圓柱形磁性執(zhí)行器。鋁鎳鈷磁鐵是推薦的材料，可以小至 5 mm x 25 mm。

篡改檢測(cè)電路還需要一個(gè)傳感器，如果鎖被破壞并且門已被打開，則提醒用戶。同樣，建議使用簧片開關(guān)和執(zhí)行器。干簧開關(guān)-執(zhí)行器組合消耗的功率最小，同時(shí)最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。為確保對(duì)篡改鎖的快速響應(yīng)，請(qǐng)考慮使用靈敏度可調(diào)的簧片開關(guān)-執(zhí)行器對(duì)。

只需四個(gè)組件即可為智能鎖提供保護(hù)和傳感。這些元件占用最少的印刷電路板空間，并確保安全、可靠的運(yùn)行。

保護(hù)無線門窗傳感器設(shè)計(jì)

傳感器提供有關(guān)整個(gè)家庭或建筑物中無線門窗狀態(tài)的信息。用戶可以從任何位置輕松檢查門窗是打開還是關(guān)閉。無線門傳感器和無線窗口傳感器的硬件配置示例如圖 6 所示。

圖6.無線門窗傳感系統(tǒng)示例

該系統(tǒng)有兩個(gè)主要元素（圖 7）。傳感器電路檢測(cè)窗戶或門的位置，并將信息報(bào)告給控制器，控制器還提供用戶界面和信息傳輸?shù)饺魏挝恢谩ｉT窗上的傳感電路必須允許移動(dòng);因此，電路必須由電池供電。用戶界面控制器 （UIC） 和鍵盤位于固定位置，以便它們可以由交流線路供電。使用交流線路電源是典型的商業(yè)應(yīng)用。

圖7.無線門窗傳感器系統(tǒng)框圖

電子設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用帶有磁性致動(dòng)器的磁簧開關(guān)進(jìn)行接近檢測(cè)。干簧開關(guān)延長(zhǎng)了傳感器系統(tǒng)的電池壽命，因?yàn)椴恍枰せ铍娫?。傳感器和用戶界面控制器中的無線接口電路可以使用聚合物ESD抑制器來確保ESD保護(hù)，同時(shí)保持RF傳輸?shù)耐暾?。與智能鎖一樣，帶有鍵盤的用戶界面電路應(yīng)具有ESD保護(hù)，防止人體接觸。TVS二極管陣列可以保護(hù)敏感信號(hào)線免受ESD瞬變的影響。

當(dāng) AC 電源和 AC-DC 電源為用戶界面控制器供電時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要保護(hù)控制器免受來自 AC 線路的潛在威脅。過流條件、雷擊和其他電壓瞬變以及ESD瞬變可能損壞電子設(shè)備。通過使用正確的熔斷器和電壓瞬態(tài)保護(hù)器件，設(shè)計(jì)人員可以保護(hù)其設(shè)計(jì)免受這些條件的影響。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮多種保險(xiǎn)絲規(guī)格。例如，評(píng)估保險(xiǎn)絲的工作特性和外殼樣式，以滿足廣泛的設(shè)計(jì)目標(biāo)。考慮使用慢速或延時(shí)保險(xiǎn)絲，以避免令人討厭的關(guān)斷。此外，選擇保險(xiǎn)絲電流額定值以適應(yīng)短期過載，例如浪涌電流（如適用）。其他考慮因素包括分?jǐn)囝~定值，它定義了保險(xiǎn)絲可以中斷的最大過載電流。但是，請(qǐng)記住，此參數(shù)與保險(xiǎn)絲尺寸有關(guān)。如果設(shè)計(jì)需要小保險(xiǎn)絲，請(qǐng)確保保險(xiǎn)絲可以承受交流線路提供的短路電流。最后，考慮保險(xiǎn)絲的耐寒性。例如，如果擔(dān)心功耗，設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋找耐寒性低的保險(xiǎn)絲。

考慮使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 安全地從交流線路上的電壓瞬變中吸收能量，包括雷電或電機(jī)導(dǎo)通和關(guān)斷尖峰。這些組件從 10/000 μs 瞬態(tài)脈沖吸收高達(dá) 8，20 A 的電流浪涌，20 mm MOV 也可以吸收超過 500 J 的能量。

作為MOV的替代元件，請(qǐng)考慮使用TVS二極管。這些組件專為保護(hù)敏感電路免受雷擊和其他瞬變的影響而開發(fā)，可承受 1500/10 μs 脈沖高達(dá) 1000 W 的功率。TVS二極管的功耗低于1 μA，從而最大限度地降低了正常工作條件下的功耗。此外，TVS二極管在不到1 ps的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)瞬變。表面貼裝 （SMD） 版本既可減少所需的 PCB 空間，又可最大限度地減少裝配工。設(shè)計(jì)人員可以選擇雙向或單向二極管（圖 8）。

圖8.雙向和單向TVS二極管配置

它不需要很多組件來保護(hù)門窗傳感電路。設(shè)計(jì)人員有多種選擇，可以為他們的特定應(yīng)用選擇最合適的版本。

了解對(duì)適用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性

樓宇自動(dòng)化和智能家居電子設(shè)計(jì)師應(yīng)該了解適用于他們正在開發(fā)的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。在任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開發(fā)階段納入這些要求非常重要。不遵守標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計(jì)工作、產(chǎn)品推出延遲和潛在的成本超支。除了一般產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)（如 IEC 61000 系列）定義了對(duì)耐受 ESD、電快速瞬變和閃電的要求外，還有針對(duì)電子鎖和相關(guān)產(chǎn)品的特定標(biāo)準(zhǔn)（表 1）。這些文件涵蓋北美和中國，是設(shè)計(jì)智能鎖和門窗傳感器的工程團(tuán)隊(duì)的重要參考資料。

表 1.電子鎖及相關(guān)產(chǎn)品的適用標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)大的可靠性帶來最終用戶滿意度

對(duì)于智能鎖和門窗傳感產(chǎn)品的制造商來說，在質(zhì)量、可靠性和便利性方面享有盛譽(yù)是一個(gè)巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和傳感組件，設(shè)計(jì)人員將有助于為最終用戶提供安全可靠的產(chǎn)品。幸運(yùn)的是，只需要少量的組件即可完全保護(hù)其產(chǎn)品并符合安全標(biāo)準(zhǔn)。借助低功耗傳感器，設(shè)計(jì)人員可以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，從而最大限度地減少電池更換頻率。電子設(shè)計(jì)師可以使用許多替代組件。實(shí)現(xiàn)最佳家庭自動(dòng)化設(shè)計(jì)的最終建議是利用組件制造商的專業(yè)知識(shí)并尋求他們的建議。

審核編輯：郭婷