智能家居鎖和門禁控制的智能設計技巧

智能家居和先進樓宇自動化的快速發(fā)展得益于智能手機、網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 技術的結合。這些技術提供了更高的安全性、自動化和控制力，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)。

當今設計建筑和家庭安全產(chǎn)品的工程師需要確保他們的設備不會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重要步驟是了解符合適用標準所需的保護和傳感組件，以確保產(chǎn)品安全、堅固和可靠。

僅智能鎖市場就出現(xiàn)了高速增長和創(chuàng)新，預計全球增長將達到25%，到23年單位增長將擴大到約2024萬臺1.住宅市場約占70%，占增長的大部分。對個人安全需求的認識提高也將推動全球門窗傳感器的增長，特別是在發(fā)展中經(jīng)濟體。預計到465年出貨量將以約2024%的復合年增長率增長至約<>.<>億輛2.

保護智能鎖設計

智能鎖包括手動訪問鍵盤、通過軟件應用程序訪問的智能手機無線協(xié)議鏈接、監(jiān)控門把手位置的傳感器、門鎖/解鎖執(zhí)行器以及檢測任何繞過鎖的嘗試的傳感。圖1提供了一個智能門鎖示例，具有推薦的電路保護和傳感功能，以確保可靠運行。圖2顯示了智能鎖的詳細框圖，并建議放置保護和傳感元件。

智能鎖電子設備的主要危險是靜電放電 （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鍵盤，一個人必須用手指接觸才能輸入預編程的訪問代碼。所有用戶都是ESD的來源，特別是在非常干燥的環(huán)境中。設計人員應保護用戶界面電路免受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 二極管陣列進行 ESD 保護。TVS二極管是利用硅雪崩技術的齊納二極管，可提供±15 kV的ESD電壓的最低保護水平。具有多達六個齊納二極管的 TVS 二極管陣列可以保護五條信號線并提供接地參考（圖 3）。在 0402 表面貼裝封裝的一個節(jié)省空間的組件中，TVS 二極管陣列可保護多達 1 條線路。由于TVS二極管陣列的漏電流僅為4 μA，因此對電路的影響很小。如果需要更多ESD保護，單個二極管可以為單個信號線提供ESD保護。單個TVS二極管（圖30）可承受高達±<> kV的電壓。無論使用何種配置，TVS二極管都應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TVS二極管

無線接口鏈接到蜂窩網(wǎng)絡、無線 LAN 或 WiFi 網(wǎng)絡，以便與智能手機或其他聯(lián)網(wǎng)設備進行通信。由于無線接口暴露在外部環(huán)境中，因此需要ESD保護。推薦使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的優(yōu)點是能夠響應和吸收任何ESD瞬變，同時對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)響應時間極快，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

智能鎖感應建議

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

由于它們設計用于安裝在門框上，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。

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

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

保護無線門窗傳感器設計

傳感器提供有關整個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)有兩個主要元素（圖 7）。傳感器電路檢測窗戶或門的位置，并將信息報告給控制器，控制器還提供用戶界面和信息傳輸?shù)饺魏挝恢?。門窗上的傳感電路必須允許移動;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)應用。

圖7.無線門窗傳感器系統(tǒng)框圖

電子設計人員應考慮使用帶有磁性致動器的磁簧開關進行接近檢測。干簧開關延長了傳感器系統(tǒng)的電池壽命，因為不需要激活電源。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，同時保持RF傳輸?shù)耐暾?。與智能鎖一樣，帶有鍵盤的用戶界面電路應具有ESD保護，防止人體接觸。TVS二極管陣列可以保護敏感信號線免受ESD瞬變的影響。

當 AC 電源和 AC-DC 電源為用戶界面控制器供電時，設計人員需要保護控制器免受來自 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備。通過使用正確的熔斷器和電壓瞬態(tài)保護器件，設計人員可以保護其設計免受這些條件的影響。

設計人員應考慮多種保險絲規(guī)格。例如，評估保險絲的工作特性和外殼樣式，以滿足廣泛的設計目標?？紤]使用慢速或延時保險絲，以避免令人討厭的關斷。此外，選擇保險絲電流額定值以適應短期過載，例如浪涌電流（如適用）。其他考慮因素包括分斷額定值，它定義了保險絲可以中斷的最大過載電流。但是，請記住，此參數(shù)與保險絲尺寸有關。如果設計需要小保險絲，請確保保險絲可以承受交流線路提供的短路電流。最后，考慮保險絲的耐寒性。例如，如果擔心功耗，設計人員應尋找耐寒性低的保險絲。

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，包括雷電或電機導通和關斷尖峰。這些組件從 10/000 μs 瞬態(tài)脈沖吸收高達 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，請考慮使用TVS二極管。這些組件專為保護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 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的時間內(nèi)快速響應瞬變。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。設計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門窗傳感電路。設計人員有多種選擇，可以為他們的特定應用選擇最合適的版本。

了解對適用行業(yè)標準的合規(guī)性

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

表 1.電子鎖及相關產(chǎn)品的適用標準

強大的可靠性帶來最終用戶滿意度

對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是一個巨大的競爭優(yōu)勢。通過使用適當?shù)谋Ｗo和傳感組件，設計人員將有助于為最終用戶提供安全可靠的產(chǎn)品。幸運的是，只需要少量的組件即可完全保護其產(chǎn)品并符合安全標準。借助低功耗傳感器，設計人員可以最大限度地延長電池壽命，從而最大限度地減少電池更換頻率。電子設計師可以使用許多替代組件。實現(xiàn)最佳家庭自動化設計的最終建議是利用組件制造商的專業(yè)知識并尋求他們的建議。

審核編輯：郭婷