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

根據(jù)聯(lián)合國(guó)的研究，建筑和施工業(yè)占2018年全球能源消耗的36％，產(chǎn)生了令人擔(dān)憂(yōu)的碳足跡，而且這一能耗百分比還在持續(xù)增長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)為我們敲響了警鐘。

因此，如何解決這一問(wèn)題迫在眉睫。工業(yè)設(shè)計(jì)工程師希望提高樓宇的能源效率，以降低公用事業(yè)成本并減少碳足跡。為真正提高效率，設(shè)計(jì)師必須同時(shí)關(guān)注新建筑和現(xiàn)有樓宇，注意增建以及持續(xù)上漲的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本。

與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的技術(shù)在提高能效方面起著至關(guān)重要的作用。傳感器可根據(jù)其感測(cè)的環(huán)境條件自動(dòng)關(guān)閉燈、降低熱量或任何其他耗電系統(tǒng)。與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的器件是樓宇自動(dòng)化的重要組成部分，主要因?yàn)樗梢詤R總在中央樓宇管理系統(tǒng)儀表板中生成的所有數(shù)據(jù)，微調(diào)系統(tǒng)可以在一個(gè)精心設(shè)計(jì)、算法驅(qū)動(dòng)的程序中做出響應(yīng)。

圖1：樓宇中與IoT連接的控件的示例

事倍功半

物聯(lián)網(wǎng)連接的器件依靠電力運(yùn)行。特別是對(duì)于較舊樓宇，電池是最簡(jiǎn)易、最省錢(qián)的供電方式，因?yàn)樗鼈儫o(wú)需接線(xiàn)。面臨的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)功耗少的傳感器電路，使得與物聯(lián)網(wǎng)相連的器件可在單個(gè)紐扣電池上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

納米供電組件可有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，此類(lèi)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(lái)測(cè)量。就上下文而言，遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)智能樓宇傳感器中使用的標(biāo)準(zhǔn)CR2032 紐扣電池在10年內(nèi)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(xiàn)有工業(yè)廠(chǎng)房或較舊設(shè)施中。

為促進(jìn)樓宇自動(dòng)化，設(shè)計(jì)工程師必須明確如何降低啟用IoT的器件能耗。由于智能樓宇包含許多此類(lèi)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(gè)納米供電組件本身功耗很少，因此，使用更節(jié)能的組件替換設(shè)計(jì)中的現(xiàn)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?yàn)橹挥性谛枰獣r(shí)才能激活耗能大件，并從日常建筑操作中收集、儲(chǔ)存和使用少量的能源。

納米供電集成電路可實(shí)現(xiàn)智能能耗

監(jiān)控樓宇安全一直是樓宇運(yùn)行和維護(hù)的重要方面。我們預(yù)測(cè)樓宇安全市場(chǎng)將穩(wěn)步增長(zhǎng)，這一增長(zhǎng)無(wú)疑將促使相關(guān)的嵌入式傳感器器件向更加節(jié)能的方向發(fā)展。

例如德州儀器（TI）的DRV5055霍爾效應(yīng)傳感器可通過(guò)感測(cè)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)來(lái)追蹤視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。例如，在模塊中組合兩種此類(lèi)傳感器可測(cè)量門(mén)的打開(kāi)角度，但傳感器需要一直保持開(kāi)啟狀態(tài)，且每個(gè)傳感器都會(huì)消耗大量的電流。為緩解此問(wèn)題，一種方法是并入一個(gè)額外的諸如TI的DRV5032納米供電霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)，將其作為負(fù)載開(kāi)關(guān)。這一小型組件的功耗很小，在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)之前可斷開(kāi)較大、耗能的霍爾效應(yīng)傳感器的電源連接，然后為其通電。

還有一種方法是使用納秒計(jì)時(shí)器和負(fù)載開(kāi)關(guān)，將高功耗器件（有時(shí)是微控制器）置于更深的電源睡眠狀態(tài)。負(fù)載開(kāi)關(guān)可根據(jù)預(yù)定調(diào)度表激活高功耗器件，并在完成后關(guān)閉器件。納秒計(jì)時(shí)器可調(diào)節(jié)時(shí)間范圍寬泛，以適應(yīng)各類(lèi)輪詢(xún)速率。將輪詢(xún)速率設(shè)置為高延遲值時(shí)，納米供電集成電路可節(jié)省更多能量。

納米供電集成電路收集能量

想象一下門(mén)把手的旋轉(zhuǎn)，如果該簡(jiǎn)易動(dòng)作產(chǎn)生的能量可為智能鎖供電，會(huì)發(fā)生什么情況？納米供電集成電路實(shí)現(xiàn)了這一策略性能量收集。

門(mén)把手可連接到與減速器集成在一起的電動(dòng)軸上。門(mén)把手緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為更高的電機(jī)RPM旋轉(zhuǎn)，可用作發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并且在超級(jí)電容器中整流和調(diào)節(jié)能量。例如，TI的DRV8847雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)從發(fā)電機(jī)中收集能量。

當(dāng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能足以為傳感器供電時(shí)，諸如TI的TPS2291x系列之類(lèi)的負(fù)載開(kāi)關(guān)會(huì)將電路從電池切換至電容器，并在不需要使用電池時(shí)啟用/禁用某些門(mén)鎖功能，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。另外，電容器可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(zhuǎn)換器最大化超級(jí)電容的輸出。

結(jié)論

納米供電的設(shè)備和集成電路具有革新樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)的潛力。它們不僅通過(guò)自身低功耗實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還通過(guò)提供創(chuàng)新解決方案來(lái)降低每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器件的總能耗。

降低能耗可延長(zhǎng)這些器件的電池壽命，使建筑和施工業(yè)更接近智能設(shè)施管理。鑒于智能設(shè)施管理可在減少樓宇的碳足跡中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此納米供電組件的優(yōu)勢(shì)也將會(huì)發(fā)揮作用。