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智能家居门锁和门禁的智能电路保护和传感设计

本文概述了智能家居和工业建筑中的访问控制拓扑 ， 涵盖了工程师们在设计中可以使用的各种保护和传感解决方案 。
智能手机、网络和物联网(IoT)技术的结合使得智能家居和高级楼宇自动化的发展成为可能 。这些技术提供了更高的自动化、控制和安全性 ， 为屋主或办公室住户提供了更大的便利和更具安全性的舒适感 。无论屋主或办公室住户在哪里 ， 他们都可以查看门锁和门窗的状态 。
设计家庭和建筑物安全产品(例如智能门锁及门窗感应设备)的工程师们需要确保其设备不会给客户带来虚假的安全感 。设计人员需要了解遵守适用安全标准并确保安全 ， 坚固和可靠的产品所需的保护和传感元件 。
智能门锁市场本身就是一个高增长市场 ， 而且是创新的机会 。智能门锁的全球增长预计将以25%的年复合增长率(CAGR)增长 ， 单位数量将从2019年的约700万个增加到2024年的约2300万个 。住宅市场将是增长的主要部分  ， 大约占70% 。
与智能门锁一样 ， 个人安全意识的提高将推动门窗传感器的全球增长 ， 尤其是在发展中国家 。预计出货量将从2019年的约3亿台增加到2024年的约4.65亿台 。这一增长的年复合增长率约为9% 。智能家居安防产品市场是一个健康、有吸引力的市场 。
保护智能门锁设计
智能门锁由一个用于手动访问的键盘、一个用于通过软件应用程序访问智能手机的无线协议链路、一个用于监控门把手位置的传感器、一个用于锁定或解锁门的执行器以及一个用于检测规避门锁作用力的传感装置组成 。图1列举显示了一个智能门锁 ， 它具有建议的保护和传感元件以确保操作可靠 。图2提供了智能门锁的详细框图;该图显示了建议的保护和传感元件的推荐位置 。
静电放电(ESD)是智能门锁电子设备的主要危险 。用户界面和无线界面都容易受到用户ESD的影响 。
用户界面包含了键盘 ， 用户可通过该键盘输入预编程的访问代码 。用户是静电放电的来源 ， 尤其是在干燥的环境中 。设计人员应保护用户界面电路块不受ESD的影响 ， 以避免损坏敏感电子设备 。
图1.具有推荐保护和感测解决方案的智能门锁
图2.智能门锁框图 ， 显示了推荐使用的保护和感测元件的电路块
对于ESD保护 ， 设计人员应考虑瞬态电压抑制器(TVS)二极管或二极管阵列 。TVS二极管是采用硅雪崩技术制造的齐纳二极管 ， 可提供±15 kV ESD电压的最低保护水平 。一个TVS二极管阵列可以容纳六个齐纳二极管来保护五条信号线并提供一个接地基准 。见图3 。阵列的优点是0402表面贴装封装中的一个节省空间的元件可以保护多达五条线路 。
对电路块的影响最小 。TVS二极管阵列的泄漏电流仅为1 μA 。如果需要更高级别的ESD保护 ， 则单个二极管可以为每条信号线提供ESD保护 。如图4所示 ， 单个TVS二极管可以承受高达±30 kV的电压 。无论使用哪种配置 ， 都应将TVS二极管放置在尽可能靠近电路输入的位置 ， 以防止ESD瞬变渗透到电路中 。
图3. 5线路TVS二极管阵列示例
图4.单个TVS二极管
【智能家居门锁和门禁的智能电路保护和传感设计】 无线界面连接到蜂窝网络或无线局域网(WiFi网络) ， 以便与智能手机或其它联网设备通信 。由于它暴露在外部环境中 ， 无线界面应具有ESD保护 。建议使用聚合物ESD抑制器 。
聚合物ESD抑制器的价值在于其响应和吸收ESD瞬态的能力 ， 同时对无线界面输出的特性阻抗的影响可以忽略不计 。聚合物ESD抑制器可承受±8 kV直接接触ESD和±15 kV空击 。该元件的典型电容为低0.06 pF 。瞬态响应时间极快 ， 小于1ns 。放置位置应尽可能靠近输入天线接头 。图5显示了聚合物ESD抑制器的两种配置 ， 即双向元件 。
图5.聚合物ESD抑制器的配置 ， 双向元件
智能门锁的感测建议
为了确保门完全固定在门框中 ， 检测时需要一个传感器 。带有磁性执行器的舌簧开关是一种低功耗传感解决方案 ， 用于电池供电的智能门锁 。磁簧开关不需要任何驱动力 ， 并且是全密封 ， 可在任何环境下长期使用 。这种型号的门锁开关功率为10 W ， 额定电流高达0.5 A或高达200V 。这些开关非常适合用于低压控制器电路 。此外 ， 表面安装型可用于自动电路板组装 。
设计人员应该考虑一种圆柱形的磁性致动器 ， 用于安装在门框等框架上 。推荐使用铝镍钴磁体;尺寸可小至5 mm x 25 mm 。
如果门锁已被破坏和门已被打开的话 ， 篡改检测电路块还需要有一个传感器来提醒用户 。同样 ， 推荐使用簧片开关和执行器 。簧片开关执行器组合消耗的功率最小 ， 可以最大限度地延长电池寿命 。设计人员可以考虑有可调灵敏度的簧片开关驱动器 ， 以确保快速响应被篡改过的门锁 。
它仅需四种元件即可为智能门锁提供保护和感应 。这些元件消耗最少的电路板空间 ， 并确保产品安全可靠 。
保护无线门窗传感器设计
无线门窗传感器可提供有关门窗状态的信息 。用户可以从任何位置获取有关门窗是打开还是关闭的信息 。图6显示了无线门传感器和无线窗传感器的硬件配置 。该图还显示了针对每个硬件元素推荐的保护和检测元件 。
图6. 显示了具有推荐保护和感应元件的无线门窗感应系统
图7显示了系统的两个主要元素的框图 。传感器电路检测窗或门的位置 ， 并将信息报告给控制器 ， 控制器也是用户界面 ， 并向任何位置发送信息 。传感电路位于门和窗上 ， 必须允许移动;因此 ， 电路必须由蓄电池供电 。带键盘的用户界面控制器位于固定位置 ， 因此可以通过交流线路供电 。交流线路电源是商业设施的典型应用 。
图7. 窗和门传感器系统的框图 ， 显示了电路块以及推荐的保护和传感元件
与智能门锁一样 ， 设计人员应考虑使用磁簧开关磁致动器进行接近检测 。无需激活电源 ， 舌簧开关可延长传感器系统的电池寿命 。传感器和用户界面控制器中的无线界面电路块可以使用聚合物ESD抑制器 ， 以确保免受ESD影响 ， 同时保持射频(RF)传输的完整性 。同样类似于智能门锁 ， 用户界面电路块及其键盘应具有防止人为接触的ESD保护 。TVS二极管阵列可以保护敏感信号线免受ESD瞬变的影响 。
当交流电源和交流-直流电源为用户界面控制器供电时 ， 设计人员需要保护控制器免受交流线路的潜在威胁 。对电子设备的潜在损坏可能来自过电流事件 ， 雷击和其它电压瞬变以及ESD瞬变 。设计人员可以通过熔断器和电压瞬变保护器件来保护自己的设计不受这些事件的影响 。
熔断器有多种选择 ， 包括熔断器的工作特性和外壳样式 ， 以满足广泛的设计目标 。设计人员应考虑使用延时熔断器或slo-blo熔断器 ， 以免造成不必要的停机 。此外 ， 设计人员应选择熔断器电流额定值 ， 以适应短时过载(如适用)的涌入电流 。其它考虑因素包括中断额定值 ， 该值定义了熔断器可以中断的最大过载电流 。该参数与熔断器尺寸相权衡 。如果需要一个小熔断器 ， 设计人员将需要确保该熔断器能够承受交流线路提供的可用短路电流 。最后要考虑的是熔断器的耐寒性 。如果功耗是主要考虑因素 ， 则设计人员应寻找具有低抗寒性的熔断器 。
为了安全地吸收来自雷电或电机导通和关断尖峰的交流线路上的瞬态电压的能量 ， 设计人员应考虑使用金属氧化物压敏电阻(MOV) 。MOV可以从8/20 μs瞬态脉冲吸收高达10,000 A的电流浪涌 。20mm MOV还可以吸收多达530 J的能量 。
MOV的替代元件是TVS二极管 。为保护电路免受雷电和其它瞬态影响而开发的模型可以承受10/1000 μs脉冲高达1500 W的功率 。为了最大程度地降低功耗 ， TVS二极管在正常工作条件下的消耗电流小于1 μA 。此外 ， TVS二极管可以在不到1 ps的时间内快速响应瞬态 。表面贴装版本可以最大程度地减少组装工作 。图8显示了TVS二极管的符号 。设计人员可以选择双向二极管或单向二极管 。
图8.双向和单向TVS二极管的配置
与智能门锁一样 ， 它并不需要很多元件来保护窗和门的感应电路 。设计人员有多种选项来选择最适合其产品的版本 。
符合电子安全产品行业标准
设计人员应该了解适用于他们正在开发的产品的标准 ， 以便他们可以在项目的开发阶段结合需求 。不符合标准可能会导致潜在的昂贵的重新设计工作和产品推出的延迟 。
除了诸如IEC 61000系列之类的通用产品安全标准(这些标准定义了承受ESD ， 电快速瞬变和雷击的要求)外 ， 还存在针对电子门锁和相关产品的特定标准 。表1列出了适用于电子门锁和相关设备的标准 。这些标准涵盖了北美市场和中国市场 。这些文档是智能门锁和门窗传感器设计人员必不可少的参考材料 。
表1.北美和中国的电子门锁及相关产品标准
总结
对于智能门锁和门窗感应产品的制造商而言 ， 质量 ， 可靠性和便利性的声誉是其巨大的竞争优势 。结合适当的保护和传感元件将有助于实现安全可靠的产品 。幸运的是 ， 设计人员只需要少量元件即可充分保护其产品并符合安全标准 。使用低能耗传感器 ， 设计人员可以最大限度地延长电池寿命 ， 以最大程度地减少电池更换的频率 。设计人员有许多替代元件可以使用 。实现最佳设计的最后一项建议是利用元件制造商的专业知识并寻求他们的建议 。
有关电路保护、传感器件和元件选择标准的更多信息 ， 请参阅Littelfuse提供的《电路保护选择指南》和《传感产品选择指南》 。

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