如何优化楼宇和家居自动化设计以提高能效

根据联合国的研究，建筑和施工业占2018年全球能源消耗的36％，产生了令人担忧的碳足迹，而且这一能耗百分比还在持续增长。这些数据为我们敲响了警钟。

因此，如何解决这一问题迫在眉睫。工业设计工程师希望提高楼宇的能源效率，以降低公用事业成本并减少碳足迹。为真正提高效率，设计师必须同时关注新建筑和现有楼宇，扩建以及运营和维护带来的持续上涨的成本。

与物联网（IoT）相关的技术在提高能效方面起着至关重要的作用。传感器可根据其感测的环境条件自动关闭灯、暖气或任何其他耗电系统。与物联网相关的器件是楼宇自动化的重要组成部分，主要因为它可以汇总在中央楼宇管理系统仪表板中生成的所有数据，通过这些数据，微调系统可以在一个精心设计、算法驱动的程序中做出响应。

图1：楼宇中与IoT连接的控件的示例

事倍功半

物联网连接的器件依靠电力运行。特别是对于较旧楼宇，电池是最简易、最省钱的供电方式，因为它们无需接线。面临的挑战是如何设计功耗少的传感器电路，使得与物联网相连的器件可在单个纽扣电池上长时间运行。

纳米供电组件可有效应对这一挑战，此类组件的平均电流消耗可以纳安 (nA)（1安培的十亿分之一）为单位来测量。为便于说明举个例子，远程无线智能楼宇传感器中使用的标准CR2032 纽扣电池在10年内可提供约2,100nA的电流。电池尺寸减小可使器件变得更小、更轻，从而更好地改装到电力不普及的现有工业厂房或较旧设施中。

为促进楼宇自动化，设计工程师必须明确如何降低IoT器件的能耗。由于智能楼宇包含许多此类器件，因此更换电池的成本迅速增加，降低电池更换成本变得更加紧迫。

单个纳米供电组件本身功耗很少，因此，使用更节能的组件替换设计中的现有电路组件显然可有效减少能耗。此外，将纳米供电集成电路（IC）集成到新器件中可帮助减少能耗，因为只有在需要时才能激活耗能大件，并从日常建筑操作中收集、储存和使用少量的能源。

纳米供电集成电路可实现智能能耗

监控楼宇安全一直是楼宇运行和维护的重要方面。我们预测楼宇安全市场将稳步增长，这一增长无疑将促使相关的嵌入式传感器器件向更加节能的方向发展。

例如德州仪器（TI）的DRV5055霍尔效应传感器可通过感测磁场运动来追踪视场中的运动。例如，在模块中组合两种此类传感器可测量门的打开角度，但传感器需要一直保持开启状态，且每个传感器都会消耗大量的电流。为缓解此问题，一种方法是并入一个额外的诸如TI的DRV5032纳米供电霍尔效应开关，将其作为负载开关。这一小型组件的功耗很小，在检测到运动之前可断开能耗较大的霍尔效应传感器的电源连接，检测到运动之后为其通电。

还有一种方法是使用纳秒计时器和负载开关，将高功耗器件（有时是微控制器）置于更深的电源睡眠状态。负载开关可根据预定调度表激活高功耗器件，并在完成后关闭器件。纳秒计时器可调节时间范围宽泛，以适应各类轮询频率。将轮询频率设置为高延迟值时，纳米供电集成电路可节省更多能量。

纳米供电集成电路收集能量

想象一下门把手的旋转，如果该简易动作产生的能量可为智能锁供电，会发生什么情况？纳米供电集成电路实现了这一策略性的能量收集方式。

门把手可连接到与减速器集成在一起的电动轴上。门把手缓慢转动会转化为更高的电机RPM旋转，可用作发电机进行发电，并且在超级电容器中整流和调节能量。例如，TI的DRV8847双H桥电机驱动可以从发电机中收集能量。

当超级电容器储能足以为传感器供电时，诸如TI的TPS2291x系列之类的负载开关会将电路从电池切换至电容器，并在不需要使用电池时启用/禁用某些门锁功能，以最大限度地延长电池寿命。另外，电容器还可以为电池充电提供能量源。这种情况下，可使用诸如TPS62840等低IQ降压转换器最大化超级电容的输出。

结论

纳米供电的设备和集成电路具有革新楼宇自动化设计的潜力。它们不仅通过自身低功耗实现这一目标，还通过提供创新解决方案来降低每个物联网驱动器件的总能耗。

降低能耗可延长这些器件的电池寿命，使建筑和施工业更接近智能化的设施管理。鉴于智能设施管理可在减少楼宇的碳足迹中发挥关键作用，因此纳米供电组件的优势也将会发挥作用。