高能效樓宇和家居自動化優(yōu)化設計方案

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

　　因此，如何解決這一問題迫在眉睫。工業(yè)設計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，設計師必須同時關注新建筑和現(xiàn)有樓宇，擴建以及運營和維護帶來的持續(xù)上漲的成本。

　　與物聯(lián)網(wǎng)（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(jù)其感測的環(huán)境條件自動關閉燈、暖氣或任何其他耗電系統(tǒng)。與物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)儀表板中生成的所有數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)，微調系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)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(zhàn)是如何設計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(zhàn)，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(xiàn)有工業(yè)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(jié)能的組件替換設計中的現(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(xiàn)智能能耗

　　監(jiān)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(wěn)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(jié)能的方向發(fā)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(tài)，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(tài)。負載開關可根據(jù)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(jié)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(jié)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(chǎn)生的能量可為智能鎖供電，會發(fā)生什么情況？納米供電集成電路實現(xiàn)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(fā)電機進行發(fā)電，并且在超級電容器中整流和調節(jié)能量。例如，TI的DRV8847雙H橋電機驅動可以從發(fā)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(xiàn)這一目標，還通過提供創(chuàng)新解決方案來降低每個物聯(lián)網(wǎng)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(yè)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(fā)揮關鍵作用，因此納米供電組件的優(yōu)勢也將會發(fā)揮作用。