智能家居锁和门禁控制的智能设计技巧

智能家居和先进楼宇自动化的快速发展得益于智能手机、网络和物联网 （IoT） 技术的结合。这些技术提供了更高的安全性、自动化和控制力，为房主和办公室居住者提供了更高的便利性、舒适性和更高的安全性。无论房主或办公室居住者身在何处，他们都可以轻松查看门锁和门窗的状态。

当今设计建筑和家庭安全产品的工程师需要确保他们的设备不会给客户带来虚假的安全感。提高整体可靠性和安全性的一个重要步骤是了解符合适用标准所需的保护和传感组件，以确保产品安全、坚固和可靠。

仅智能锁市场就出现了高速增长和创新，预计全球增长将达到25%，到23年单位增长将扩大到约2024万台1.住宅市场约占70%，占增长的大部分。对个人安全需求的认识提高也将推动全球门窗传感器的增长，特别是在发展中经济体。预计到465年出货量将以约2024%的复合年增长率增长至约<>.<>亿辆2.

保护智能锁设计

智能锁包括手动访问键盘、通过软件应用程序访问的智能手机无线协议链接、监控门把手位置的传感器、门锁/解锁执行器以及检测任何绕过锁的尝试的传感。图1提供了一个智能门锁示例，具有推荐的电路保护和传感功能，以确保可靠运行。图2显示了智能锁的详细框图，并建议放置保护和传感元件。

智能锁电子设备的主要危险是静电放电 （ESD）。无线和用户界面容易受到最终用户的ESD影响。

用户界面提供了一个键盘，一个人必须用手指接触才能输入预编程的访问代码。所有用户都是ESD的来源，特别是在非常干燥的环境中。设计人员应保护用户界面电路免受ESD影响，以避免损坏敏感电子器件。

图2.智能锁框图

考虑使用瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管或 TVS 二极管阵列进行 ESD 保护。TVS二极管是利用硅雪崩技术的齐纳二极管，可提供±15 kV的ESD电压的最低保护水平。具有多达六个齐纳二极管的 TVS 二极管阵列可以保护五条信号线并提供接地参考（图 3）。在 0402 表面贴装封装的一个节省空间的组件中，TVS 二极管阵列可保护多达 1 条线路。由于TVS二极管阵列的漏电流仅为4 μA，因此对电路的影响很小。如果需要更多ESD保护，单个二极管可以为单个信号线提供ESD保护。单个TVS二极管（图30）可承受高达±<> kV的电压。无论使用何种配置，TVS二极管都应尽可能靠近电路输入，以防止任何ESD瞬变穿透电路。

图3.示例 5 线 TVS 二极管阵列

图4.单个TVS二极管

无线接口链接到蜂窝网络、无线 LAN 或 WiFi 网络，以便与智能手机或其他联网设备进行通信。由于无线接口暴露在外部环境中，因此需要ESD保护。推荐使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器的优点是能够响应和吸收任何ESD瞬变，同时对无线接口输出的特性阻抗影响很小。聚合物 ESD 抑制器可承受直接接触 ±8 kV ESD 和空袭 ±15 kV。典型电容为0.06 pF，瞬态响应时间极快，瞬态低于1 ns。确保ESD抑制器尽可能靠近输入天线的连接器。图5显示了双向聚合物ESD抑制器的两种配置。

图5.双向聚合物ESD抑制器配置

智能锁感应建议

确保门完全固定在门框上需要每个位置的传感器进行检测。考虑将带有磁性致动器的磁簧开关作为电池供电智能锁的低功耗传感解决方案。干簧开关不需要驱动电源，可以切换 10 W，额定值高达 0.5 A 或高达 200 V，并且密封，可在室外环境中延长使用寿命。干簧开关非常适合用于低压控制器电路。表面贴装版本可用于自动印刷电路板组装。

由于它们设计用于安装在门框上，因此建议使用圆柱形磁性执行器。铝镍钴磁铁是推荐的材料，可以小至 5 mm x 25 mm。

篡改检测电路还需要一个传感器，如果锁被破坏并且门已被打开，则提醒用户。同样，建议使用簧片开关和执行器。干簧开关-执行器组合消耗的功率最小，同时最大限度地延长电池寿命。为确保对篡改锁的快速响应，请考虑使用灵敏度可调的簧片开关-执行器对。

只需四个组件即可为智能锁提供保护和传感。这些元件占用最少的印刷电路板空间，并确保安全、可靠的运行。

保护无线门窗传感器设计

传感器提供有关整个家庭或建筑物中无线门窗状态的信息。用户可以从任何位置轻松检查门窗是打开还是关闭。无线门传感器和无线窗口传感器的硬件配置示例如图 6 所示。

图6.无线门窗传感系统示例

该系统有两个主要元素（图 7）。传感器电路检测窗户或门的位置，并将信息报告给控制器，控制器还提供用户界面和信息传输到任何位置。门窗上的传感电路必须允许移动;因此，电路必须由电池供电。用户界面控制器 （UIC） 和键盘位于固定位置，以便它们可以由交流线路供电。使用交流线路电源是典型的商业应用。

图7.无线门窗传感器系统框图

电子设计人员应考虑使用带有磁性致动器的磁簧开关进行接近检测。干簧开关延长了传感器系统的电池寿命，因为不需要激活电源。传感器和用户界面控制器中的无线接口电路可以使用聚合物ESD抑制器来确保ESD保护，同时保持RF传输的完整性。与智能锁一样，带有键盘的用户界面电路应具有ESD保护，防止人体接触。TVS二极管阵列可以保护敏感信号线免受ESD瞬变的影响。

当 AC 电源和 AC-DC 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来自 AC 线路的潜在威胁。过流条件、雷击和其他电压瞬变以及ESD瞬变可能损坏电子设备。通过使用正确的熔断器和电压瞬态保护器件，设计人员可以保护其设计免受这些条件的影响。

设计人员应考虑多种保险丝规格。例如，评估保险丝的工作特性和外壳样式，以满足广泛的设计目标。考虑使用慢速或延时保险丝，以避免令人讨厌的关断。此外，选择保险丝电流额定值以适应短期过载，例如浪涌电流（如适用）。其他考虑因素包括分断额定值，它定义了保险丝可以中断的最大过载电流。但是，请记住，此参数与保险丝尺寸有关。如果设计需要小保险丝，请确保保险丝可以承受交流线路提供的短路电流。最后，考虑保险丝的耐寒性。例如，如果担心功耗，设计人员应寻找耐寒性低的保险丝。

考虑使用金属氧化物压敏电阻 （MOV） 安全地从交流线路上的电压瞬变中吸收能量，包括雷电或电机导通和关断尖峰。这些组件从 10/000 μs 瞬态脉冲吸收高达 8，20 A 的电流浪涌，20 mm MOV 也可以吸收超过 500 J 的能量。

作为MOV的替代元件，请考虑使用TVS二极管。这些组件专为保护敏感电路免受雷击和其他瞬变的影响而开发，可承受 1500/10 μs 脉冲高达 1000 W 的功率。TVS二极管的功耗低于1 μA，从而最大限度地降低了正常工作条件下的功耗。此外，TVS二极管在不到1 ps的时间内快速响应瞬变。表面贴装 （SMD） 版本既可减少所需的 PCB 空间，又可最大限度地减少装配工。设计人员可以选择双向或单向二极管（图 8）。

图8.双向和单向TVS二极管配置

它不需要很多组件来保护门窗传感电路。设计人员有多种选择，可以为他们的特定应用选择最合适的版本。

了解对适用行业标准的合规性

楼宇自动化和智能家居电子设计师应该了解适用于他们正在开发的产品的标准。在任何设计项目的开发阶段纳入这些要求非常重要。不遵守标准可能会导致昂贵的重新设计工作、产品推出延迟和潜在的成本超支。除了一般产品安全标准（如 IEC 61000 系列）定义了对耐受 ESD、电快速瞬变和闪电的要求外，还有针对电子锁和相关产品的特定标准（表 1）。这些文件涵盖北美和中国，是设计智能锁和门窗传感器的工程团队的重要参考资料。

表 1.电子锁及相关产品的适用标准

强大的可靠性带来最终用户满意度

对于智能锁和门窗传感产品的制造商来说，在质量、可靠性和便利性方面享有盛誉是一个巨大的竞争优势。通过使用适当的保护和传感组件，设计人员将有助于为最终用户提供安全可靠的产品。幸运的是，只需要少量的组件即可完全保护其产品并符合安全标准。借助低功耗传感器，设计人员可以最大限度地延长电池寿命，从而最大限度地减少电池更换频率。电子设计师可以使用许多替代组件。实现最佳家庭自动化设计的最终建议是利用组件制造商的专业知识并寻求他们的建议。

审核编辑：郭婷