本文概述了智能家居和工業(yè)建筑中的訪問控制拓撲，涵蓋了工程師們在設(shè)計中可以使用的各種保護和傳感解決方案。
智能手機、網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的結(jié)合使得智能家居和高級樓宇自動化的發(fā)展成為可能。這些技術(shù)提供了更高的自動化、控制和安全性，為屋主或辦公室住戶提供了更大的便利和更具安全性的舒適感。無論屋主或辦公室住戶在哪里，他們都可以查看門鎖和門窗的狀態(tài)。
設(shè)計家庭和建筑物安全產(chǎn)品(例如智能門鎖及門窗感應(yīng)設(shè)備)的工程師們需要確保其設(shè)備不會給客戶帶來虛假的安全感。 設(shè)計人員需要了解遵守適用安全標準并確保安全，堅固和可靠的產(chǎn)品所需的保護和傳感元件。
智能門鎖市場本身就是一個高增長市場，而且是創(chuàng)新的機會。智能門鎖的全球增長預(yù)計將以25%的年復(fù)合增長率(CAGR)增長，單位數(shù)量將從2019年的約700萬個增加到2024年的約2300萬個。住宅市場將是增長的主要部分 ，大約占70%。
與智能門鎖一樣，個人安全意識的提高將推動門窗傳感器的全球增長，尤其是在發(fā)展中國家。預(yù)計出貨量將從2019年的約3億臺增加到2024年的約4.65億臺。這一增長的年復(fù)合增長率約為9%。智能家居安防產(chǎn)品市場是一個健康、有吸引力的市場。
保護智能門鎖設(shè)計
智能門鎖由一個用于手動訪問的鍵盤、一個用于通過軟件應(yīng)用程序訪問智能手機的無線協(xié)議鏈路、一個用于監(jiān)控門把手位置的傳感器、一個用于鎖定或解鎖門的執(zhí)行器以及一個用于檢測規(guī)避門鎖作用力的傳感裝置組成。圖1列舉顯示了一個智能門鎖，它具有建議的保護和傳感元件以確保操作可靠。圖2提供了智能門鎖的詳細框圖;該圖顯示了建議的保護和傳感元件的推薦位置。
靜電放電(ESD)是智能門鎖電子設(shè)備的主要危險。 用戶界面和無線界面都容易受到用戶ESD的影響。
用戶界面包含了鍵盤，用戶可通過該鍵盤輸入預(yù)編程的訪問代碼。用戶是靜電放電的來源，尤其是在干燥的環(huán)境中。設(shè)計人員應(yīng)保護用戶界面電路塊不受ESD的影響，以避免損壞敏感電子設(shè)備。
圖1.具有推薦保護和感測解決方案的智能門鎖
圖2.智能門鎖框圖，顯示了推薦使用的保護和感測元件的電路塊
對于ESD保護，設(shè)計人員應(yīng)考慮瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管或二極管陣列。TVS二極管是采用硅雪崩技術(shù)制造的齊納二極管，可提供±15 kV ESD電壓的最低保護水平。一個TVS二極管陣列可以容納六個齊納二極管來保護五條信號線并提供一個接地基準。見圖3。陣列的優(yōu)點是0402表面貼裝封裝中的一個節(jié)省空間的元件可以保護多達五條線路。
對電路塊的影響最小。 TVS二極管陣列的泄漏電流僅為1 μA。 如果需要更高級別的ESD保護，則單個二極管可以為每條信號線提供ESD保護。 如圖4所示，單個TVS二極管可以承受高達±30 kV的電壓。 無論使用哪種配置，都應(yīng)將TVS二極管放置在盡可能靠近電路輸入的位置，以防止ESD瞬變滲透到電路中。
圖3. 5線路TVS二極管陣列示例
圖4.單個TVS二極管
無線界面連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線局域網(wǎng)(WiFi網(wǎng)絡(luò))，以便與智能手機或其它聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。由于它暴露在外部環(huán)境中，無線界面應(yīng)具有ESD保護。建議使用聚合物ESD抑制器。
聚合物ESD抑制器的價值在于其響應(yīng)和吸收ESD瞬態(tài)的能力，同時對無線界面輸出的特性阻抗的影響可以忽略不計。聚合物ESD抑制器可承受±8 kV直接接觸ESD和±15 kV空擊。該元件的典型電容為低0.06 pF。瞬態(tài)響應(yīng)時間極快，小于1ns。放置位置應(yīng)盡可能靠近輸入天線接頭。圖5顯示了聚合物ESD抑制器的兩種配置，即雙向元件。
圖5.聚合物ESD抑制器的配置，雙向元件
智能門鎖的感測建議
為了確保門完全固定在門框中，檢測時需要一個傳感器。 帶有磁性執(zhí)行器的舌簧開關(guān)是一種低功耗傳感解決方案，用于電池供電的智能門鎖。 磁簧開關(guān)不需要任何驅(qū)動力，并且是全密封，可在任何環(huán)境下長期使用。這種型號的門鎖開關(guān)功率為10 W，額定電流高達0.5 A或高達200V。這些開關(guān)非常適合用于低壓控制器電路。 此外，表面安裝型可用于自動電路板組裝。
設(shè)計人員應(yīng)該考慮一種圓柱形的磁性致動器，用于安裝在門框等框架上。推薦使用鋁鎳鈷磁體;尺寸可小至5 mm x 25 mm。
如果門鎖已被破壞和門已被打開的話，篡改檢測電路塊還需要有一個傳感器來提醒用戶。同樣，推薦使用簧片開關(guān)和執(zhí)行器。簧片開關(guān)執(zhí)行器組合消耗的功率最小，可以最大限度地延長電池壽命。設(shè)計人員可以考慮有可調(diào)靈敏度的簧片開關(guān)驅(qū)動器，以確?？焖夙憫?yīng)被篡改過的門鎖。
它僅需四種元件即可為智能門鎖提供保護和感應(yīng)。 這些元件消耗最少的電路板空間，并確保產(chǎn)品安全可靠。
保護無線門窗傳感器設(shè)計
無線門窗傳感器可提供有關(guān)門窗狀態(tài)的信息。 用戶可以從任何位置獲取有關(guān)門窗是打開還是關(guān)閉的信息。 圖6顯示了無線門傳感器和無線窗傳感器的硬件配置。 該圖還顯示了針對每個硬件元素推薦的保護和檢測元件。
圖6. 顯示了具有推薦保護和感應(yīng)元件的無線門窗感應(yīng)系統(tǒng)
圖7顯示了系統(tǒng)的兩個主要元素的框圖。傳感器電路檢測窗或門的位置，并將信息報告給控制器，控制器也是用戶界面，并向任何位置發(fā)送信息。傳感電路位于門和窗上，必須允許移動;因此，電路必須由蓄電池供電。帶鍵盤的用戶界面控制器位于固定位置，因此可以通過交流線路供電。交流線路電源是商業(yè)設(shè)施的典型應(yīng)用。
圖7. 窗和門傳感器系統(tǒng)的框圖，顯示了電路塊以及推薦的保護和傳感元件
與智能門鎖一樣，設(shè)計人員應(yīng)考慮使用磁簧開關(guān)磁致動器進行接近檢測。無需激活電源，舌簧開關(guān)可延長傳感器系統(tǒng)的電池壽命。 傳感器和用戶界面控制器中的無線界面電路塊可以使用聚合物ESD抑制器，以確保免受ESD影響，同時保持射頻(RF)傳輸?shù)耐暾浴? 同樣類似于智能門鎖，用戶界面電路塊及其鍵盤應(yīng)具有防止人為接觸的ESD保護。 TVS二極管陣列可以保護敏感信號線免受ESD瞬變的影響。
當交流電源和交流-直流電源為用戶界面控制器供電時，設(shè)計人員需要保護控制器免受交流線路的潛在威脅。對電子設(shè)備的潛在損壞可能來自過電流事件，雷擊和其它電壓瞬變以及ESD瞬變。 設(shè)計人員可以通過熔斷器和電壓瞬變保護器件來保護自己的設(shè)計不受這些事件的影響。
熔斷器有多種選擇，包括熔斷器的工作特性和外殼樣式，以滿足廣泛的設(shè)計目標。 設(shè)計人員應(yīng)考慮使用延時熔斷器或slo-blo熔斷器，以免造成不必要的停機。 此外，設(shè)計人員應(yīng)選擇熔斷器電流額定值，以適應(yīng)短時過載(如適用)的涌入電流。 其它考慮因素包括中斷額定值，該值定義了熔斷器可以中斷的最大過載電流。 該參數(shù)與熔斷器尺寸相權(quán)衡。 如果需要一個小熔斷器，設(shè)計人員將需要確保該熔斷器能夠承受交流線路提供的可用短路電流。 最后要考慮的是熔斷器的耐寒性。 如果功耗是主要考慮因素，則設(shè)計人員應(yīng)尋找具有低抗寒性的熔斷器。
為了安全地吸收來自雷電或電機導(dǎo)通和關(guān)斷尖峰的交流線路上的瞬態(tài)電壓的能量，設(shè)計人員應(yīng)考慮使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。 MOV可以從8/20 μs瞬態(tài)脈沖吸收高達10,000 A的電流浪涌。 20mm MOV還可以吸收多達530 J的能量。
MOV的替代元件是TVS二極管。 為保護電路免受雷電和其它瞬態(tài)影響而開發(fā)的模型可以承受10/1000 μs脈沖高達1500 W的功率。 為了最大程度地降低功耗，TVS二極管在正常工作條件下的消耗電流小于1 μA。 此外，TVS二極管可以在不到1 ps的時間內(nèi)快速響應(yīng)瞬態(tài)。 表面貼裝版本可以最大程度地減少組裝工作。 圖8顯示了TVS二極管的符號。 設(shè)計人員可以選擇雙向二極管或單向二極管。
圖8.雙向和單向TVS二極管的配置
與智能門鎖一樣，它并不需要很多元件來保護窗和門的感應(yīng)電路。 設(shè)計人員有多種選項來選擇最適合其產(chǎn)品的版本。
符合電子安全產(chǎn)品行業(yè)標準
設(shè)計人員應(yīng)該了解適用于他們正在開發(fā)的產(chǎn)品的標準，以便他們可以在項目的開發(fā)階段結(jié)合需求。 不符合標準可能會導(dǎo)致潛在的昂貴的重新設(shè)計工作和產(chǎn)品推出的延遲。
除了諸如IEC 61000系列之類的通用產(chǎn)品安全標準(這些標準定義了承受ESD，電快速瞬變和雷擊的要求)外，還存在針對電子門鎖和相關(guān)產(chǎn)品的特定標準。 表1列出了適用于電子門鎖和相關(guān)設(shè)備的標準。 這些標準涵蓋了北美市場和中國市場。 這些文檔是智能門鎖和門窗傳感器設(shè)計人員必不可少的參考材料。
表1.北美和中國的電子門鎖及相關(guān)產(chǎn)品標準
總結(jié)
對于智能門鎖和門窗感應(yīng)產(chǎn)品的制造商而言，質(zhì)量，可靠性和便利性的聲譽是其巨大的競爭優(yōu)勢。 結(jié)合適當?shù)谋Ｗo和傳感元件將有助于實現(xiàn)安全可靠的產(chǎn)品。 幸運的是，設(shè)計人員只需要少量元件即可充分保護其產(chǎn)品并符合安全標準。 使用低能耗傳感器，設(shè)計人員可以最大限度地延長電池壽命，以最大程度地減少電池更換的頻率。設(shè)計人員有許多替代元件可以使用。實現(xiàn)最佳設(shè)計的最后一項建議是利用元件制造商的專業(yè)知識并尋求他們的建議。
有關(guān)電路保護、傳感器件和元件選擇標準的更多信息，請參閱Littelfuse提供的《電路保護選擇指南》和《傳感產(chǎn)品選擇指南》。
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