電源是安裝電子鎖等門禁控制系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。能夠從環(huán)境中為這些設(shè)備供電，可以降低成本，簡化集成和安裝，并且通過消除切斷電源的脆弱性，可以使整個(gè)系統(tǒng)更加安全。本文著眼于使用能量收集和電源管理的選項(xiàng)，為連接到物聯(lián)網(wǎng)的加密無線訪問控制系統(tǒng)提供電源，特別關(guān)注太陽能。

為電源提供電源。門禁系統(tǒng)是智能建筑改造的關(guān)鍵限制因素。必須上下運(yùn)行電力電纜既復(fù)雜又昂貴，系統(tǒng)架構(gòu)師正在尋找為智能系統(tǒng)提供電力的不同方法。必須定期更換數(shù)千個(gè)門鎖中的電池是昂貴的，并且在許多情況下是不切實(shí)際的。

相反，能量收集提供了在沒有大量布線的情況下提供電力的機(jī)會(huì)，但在安裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在一些關(guān)鍵因素，具體取決于能源。

用于門禁控制的兩種最合適的能量收集技術(shù)是太陽能和熱能。雖然這些電流產(chǎn)生相對(duì)較小的電流，但這適用于訪問控制，其中需要小的突發(fā)電源來授權(quán)訪問 - 通常通過無線鏈接或卡刷卡 - 并從捕獲和存儲(chǔ)的電流中釋放鎖定。返回監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的無線鏈路還提供更高的安全性，并且可以用于在電源被切斷或未經(jīng)授權(quán)嘗試進(jìn)入時(shí)觸發(fā)警報(bào)。使用具有無線鏈路的能量收集方法消除了對(duì)昂貴的電纜基礎(chǔ)設(shè)施的需要并簡化了這種系統(tǒng)的改造。

對(duì)于外門，使用珀耳帖效應(yīng)可以利用能源來利用溫差。這利用了金屬的不同電氣和熱性能，使得Peltier發(fā)動(dòng)機(jī)，例如Laird Technologies（圖1）的WPG-1，可以安裝在門中或通過一側(cè)比另一側(cè)更暖的壁上。然后，這產(chǎn)生可用于給電池充電以給門禁系統(tǒng)供電的電流。

WPG-1是一款獨(dú)立的薄膜熱電發(fā)電機(jī)，可以收集廢熱并將其轉(zhuǎn)換為可用的輸出直流電。一個(gè)WPG-1可以產(chǎn)生高達(dá)1.5 mW的可用輸出功率，并且可以處理各種負(fù)載電阻。內(nèi)置超低壓升壓轉(zhuǎn)換器，可在低于20°C的低溫差下提供可用的輸出功率?？梢哉{(diào)節(jié)輸出功率以適應(yīng)三個(gè)電壓設(shè)定點(diǎn)：3.3 V，4.1 V或5.0 V.

圖1：WPG-1能量收獲發(fā)電機(jī)可以從溫差產(chǎn)生高達(dá)1.5 mW的功率。

需要一個(gè)本地電池來捕獲和平滑來自源的電流，這可能是非常多變的，但也是為了安全。即使切斷電源，訪問控制系統(tǒng)也需要保持可用，因此使用本地電池比直接由電源供電的系統(tǒng)具有優(yōu)勢。

然而，可以為門禁系統(tǒng)收獲的主要電力來源很少。使用太陽能電池板為系統(tǒng)提供電力是經(jīng)濟(jì)有效的，可以使用自然光或人造光。今天的能量收集面板和電源管理可以跟蹤最佳充電速率，以最大限度地減少損耗，并盡可能多地保留捕獲的電流，以用于無線鏈路和訪問授權(quán)。

EnOcean的入門套件（圖2） ）旨在為工程師提供探索自供電無線技術(shù)性能的工具。

圖2：EnOcean的入門套件允許設(shè)計(jì)人員評(píng)估由太陽能電池供電的無線接入控制器的不同架構(gòu)。

該套件包括用于門禁控制系統(tǒng)的開關(guān)的機(jī)電發(fā)電機(jī)以及太陽能傳感器。由自加電開關(guān)和傳感器發(fā)送的315MHz的RF信號(hào)由USB加密狗接收，以在PC屏幕上可視化。 DolphinView Basic軟件解釋EnOcean無線電報(bào)，演示如何使用搖臂開關(guān)產(chǎn)生的電力，無需電池即可實(shí)現(xiàn)無線遙控器。該系統(tǒng)還支持太陽能電池為無線鏈路供電。

Panasonic的Amorton非晶太陽能電池可提供5.3μA至84μA的室內(nèi)光，或5 mA至115 mA的室外光。電池采用玻璃封裝，用于最基本的基板，或者作為薄膜，可以輕松添加到任何結(jié)構(gòu)中以提供電力。通過備用電池，可以輕松添加基于薄膜的電池，而無需擔(dān)心布線或安全性。由于權(quán)重不是問題，可以根據(jù)訪問控制系統(tǒng)所需的功率量來確定單元陣列的大小。對(duì)于室外系統(tǒng)，這當(dāng)然可以更小，但室內(nèi)系統(tǒng)也可以使用相同的技術(shù)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

圖3：Panasonic的Amorton太陽能電池在不同環(huán)境下使用玻璃或塑料薄膜基板。

太陽能電池板和Peltier發(fā)動(dòng)機(jī)都需要專門的電源管理設(shè)備來捕獲電流并管理電池供電凌力爾特公司的LTM8062是一款完整的微功率跟蹤電池充電器，可提供恒定電流/恒定電壓充電特性。它使用3.3 V浮動(dòng)電壓反饋參考，因此LTM8062的任何所需電池浮動(dòng)電壓可高達(dá)14.4 V，可通過電阻分壓器進(jìn)行編程。

這是通過輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路實(shí)現(xiàn)的，如果輸入電壓低于編程電平（通過電阻分壓器設(shè)置），則可以降低充電電流。該輸入調(diào)節(jié)回路用于使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法將太陽能電池板維持在峰值輸出功率。

典型的太陽能電池板由多個(gè)串聯(lián)電池組成，每個(gè)電池是一個(gè)正向偏置的pn結(jié)。因此，電池的開路電壓具有與普通p-n二極管類似的溫度系數(shù)，或約-2mV/℃。晶體太陽能電池板的峰值功率點(diǎn)電壓（VMP）可以近似為低于V的固定電壓，因此峰值功率點(diǎn)的溫度系數(shù)類似于開路電壓的溫度系數(shù)。面板制造商通常會(huì)為這兩個(gè)值指定25°C，因此帶有溫度傳感器的反饋網(wǎng)絡(luò)可用于對(duì)電壓輸入進(jìn)行編程，以跟蹤最大峰值功率，從而獲得最有效的功率轉(zhuǎn)換，因?yàn)楦喙饩€落在單元上熱。

LTM8062還包括預(yù)處理涓流充電，以便可以從太陽能電池的少量電流中不斷但安全地對(duì)電池充電，以及電池檢測不良以簡化維護(hù)和維修。

同樣，德州儀器（TI）的bq25504專門設(shè)計(jì)用于從太陽能或熱源中有效地獲取和管理納米功率，這些太陽能或熱源在3 x 3 mm封裝中產(chǎn)生微瓦至毫瓦。 bq25504的設(shè)計(jì)始于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，僅需要微瓦的電源即可開始工作。一旦啟動(dòng)，這可以有效地從低壓輸出收集器（例如熱電發(fā)電機(jī)或太陽能電池板）提取電力。升壓轉(zhuǎn)換器可以在低至330 mV的電壓下啟動(dòng)，一旦啟動(dòng)，可以繼續(xù)將能量降至80 mV。

bq25504還實(shí)現(xiàn)了可編程MPPT采樣網(wǎng)絡(luò)，以優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換裝置。對(duì)VIN_DC進(jìn)行采樣時(shí)，使用外部電阻對(duì)開路電壓進(jìn)行編程，并使用外部電容進(jìn)行保持。對(duì)于工作在其開路電壓的80％的最大功率點(diǎn)（MPP）的太陽能電池，電阻分壓器可以設(shè)置為VIN_DC電壓的80％，并且網(wǎng)絡(luò)將控制VIN_DC在該采樣的參考電壓附近工作。或者，微控制器MCU可以提供外部參考電壓，以產(chǎn)生更復(fù)雜的MPPT算法。

圖4：bq25504的功能框圖顯示了最大峰值功率跟蹤（MPPT）控制器在太陽能電池中獲取功率的關(guān)鍵作用。

為了防止損壞電池，可以根據(jù)用戶編程的欠壓（UV）和過壓（OV）電平監(jiān)控最大和最小電壓，并且電源管理器可以在電池上的電壓時(shí)向連接的微控制器發(fā)出信號(hào)降至預(yù)設(shè)臨界水平以下。該警告應(yīng)觸發(fā)負(fù)載電流的減小，以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，但在設(shè)計(jì)門禁系統(tǒng)時(shí)必須予以考慮。

結(jié)論

電源管理芯片的集成意味著許多不同類型的能源可用于無線訪問控制系統(tǒng)，為系統(tǒng)實(shí)施提供了極大的靈活性，并大大減少了需要復(fù)雜的布線基礎(chǔ)設(shè)施。然而，采集源的選擇仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的關(guān)鍵考慮因素。使用內(nèi)部或外部太陽能電池或熱能將具有不同的電源管理考慮因素，從溫度補(bǔ)償和跟蹤到欠壓和過壓監(jiān)控。由于欠壓條件而導(dǎo)致門禁控制系統(tǒng)關(guān)閉并不是一個(gè)積極的情況，設(shè)計(jì)人員需要特別注意電源管理要求，以便從他們的能量收集設(shè)計(jì)中獲得最大收益。