Интеллектуальная защита цепей и проектирование датчиков для замков и контроля доступа в умном доме

В этой статье представлен обзор топологии управления доступом в умных домах и промышленных зданиях, охватывающий различные решения для защиты и обнаружения, которые инженеры могут использовать в своих проектах.

Сочетание технологий смартфонов, сетей и Интернета вещей (IoT) позволило разработать как умный дом, так и передовую автоматизацию зданий. Эти технологии обеспечивают повышенную автоматизацию, контроль и безопасность, давая домовладельцу или сотруднику офиса повышенное удобство и комфортное ощущение большей безопасности. Где бы ни находился домовладелец или сотрудник офиса, они могут видеть состояние дверного замка, окон и дверей.

Инженеры, разрабатывающие продукты для обеспечения безопасности домов и зданий, такие как интеллектуальные замки и устройства для обнаружения окон и дверей, должны убедиться, что их устройства не создают ложного чувства безопасности у их клиентов. Разработчикам необходимо понимать компоненты защиты и датчиков, необходимые для соответствия применимым стандартам безопасности и обеспечения безопасности, прочности и надежности продукции.

Рынок только интеллектуальных замков - это быстрорастущий рынок, на котором возможны инновации. Ожидается, что глобальный рост умных замков будет иметь совокупный годовой темп роста (CAGR) в 25 процентов, при этом рост единиц вырастет с примерно семи миллионов единиц в 2019 году до примерно 23 миллионов единиц в 2024 году1. Рынок жилья будет представлять большую часть роста. , что составит около 70 процентов.

Как и в случае с умными замками, повышение осведомленности о личной безопасности будет стимулировать глобальный рост оконных и дверных датчиков, особенно в развивающихся странах. Ожидается, что поставки увеличатся с примерно 300 миллионов единиц в 2019 году до примерно 465 миллионов единиц в 2024 году. Этот рост составляет около девяти процентов в год. Рынок продуктов для умной домашней безопасности - это здоровый и привлекательный рынок.

Защита конструкций Smart Lock

Интеллектуальный замок состоит из клавиатуры для ручного доступа, беспроводного протокола связи для доступа к смартфону через программное приложение, датчика для отслеживания положения дверной ручки, исполнительных механизмов для блокировки или разблокировки двери и датчиков для обнаружения попытки обойти замок. На рисунке 1 показан пример интеллектуального дверного замка с предлагаемыми защитными и чувствительными компонентами для обеспечения надежной работы. На рис. 2 представлена ​​подробная блок-схема интеллектуального замка; а на схеме показано рекомендуемое размещение предлагаемых компонентов защиты и датчиков.

Электростатический разряд (ESD) - основная опасность для электроники интеллектуальных замков. И пользовательский интерфейс, и беспроводной интерфейс восприимчивы к электростатическому разряду со стороны пользователя.

Пользовательский интерфейс содержит клавиатуру, с которой человек обращается для ввода предварительно запрограммированного кода доступа. Человек является источником электростатического разряда, особенно в сухой среде. Разработчики должны защищать блок схемы пользовательского интерфейса от электростатического разряда, чтобы избежать повреждения чувствительной электроники.

Рисунок 1. Умный замок с рекомендуемыми решениями для защиты и обнаружения

Рисунок 2. Блок-схема интеллектуального замка, показывающая блоки схемы, для которых рекомендуются компоненты защиты и чувствительные элементы

Для защиты от электростатических разрядов разработчикам следует рассмотреть возможность использования диодного ограничителя переходного напряжения (TVS) или диодной матрицы. TVS-диоды - это стабилитроны, построенные по кремниевой лавинной технологии и обеспечивающие минимальный уровень защиты ± 15 кВ от напряжения электростатического разряда. Матрица TVS-диодов может содержать шесть стабилитронов для защиты пяти сигнальных линий и обеспечения заземления. См. Рис. 3. Преимущество массива состоит в том, что один компактный компонент в корпусе 0402 для поверхностного монтажа может защитить до пяти линий.

Воздействие на схемный блок минимальное; диодная матрица TVS может иметь ток утечки всего 1 мкА. Если требуется более высокий уровень защиты от электростатического разряда, отдельный диод может обеспечить защиту от электростатического разряда для каждой сигнальной линии. Один TVS-диод, показанный на рисунке 4, может выдерживать до ± 30 кВ. Какая бы конфигурация ни использовалась, разместите TVS-диоды как можно ближе ко входу схемы, чтобы предотвратить проникновение переходного процесса электростатического разряда в схему.

Рисунок 3. Пример 5-строчной диодной матрицы TVS

Рисунок 4. Один TVS-диод

Беспроводной интерфейс подключается к сотовой сети или беспроводной локальной сети, сети Wi-Fi для связи со смартфоном или другим сетевым устройством. Поскольку беспроводной интерфейс подвержен воздействию внешней среды, он должен иметь защиту от электростатического разряда. Рекомендуемый компонент - полимерный подавитель электростатического разряда.

Ценность полимерного подавителя электростатического разряда заключается в его способности реагировать и поглощать переходные процессы электростатического разряда, при этом оказывая незначительное влияние на характеристический импеданс выхода беспроводного интерфейса. Полимерные подавители электростатических разрядов могут выдерживать электростатические разряды при прямом контакте с напряжением ± 8 кВ и авиационные удары с напряжением ± 15 кВ. Типичная емкость для компонента составляет 0,06 пФ. Время отклика на переходный процесс очень мало, менее 1 нс. Размещение должно быть как можно ближе к разъему входной антенны. На рисунке 5 показаны две конфигурации полимерных подавителей электростатического разряда, двунаправленных компонентов.

Рисунок 5. Конфигурации полимерных подавителей электростатического разряда, двунаправленные компоненты

Рекомендации по обнаружению умных замков

Для обнаружения, гарантирующего, что дверь полностью сидит в дверной коробке, требуется датчик. Геркон с магнитным приводом - это маломощное сенсорное решение для интеллектуального замка с батарейным питанием. Герконовые переключатели не требуют мощности привода и герметично закрыты для длительного срока службы в любых условиях. Версии могут переключать 10 Вт с номиналами до 0,5 А или до 200 В. Переключатели очень хорошо подходят для использования в схемах контроллеров низкого напряжения. Кроме того, доступны версии для поверхностного монтажа для автоматизированной сборки печатных плат.

Конструкторам стоит рассмотреть цилиндрический магнитный привод, предназначенный для установки на такую ​​раму, как дверная коробка. Рекомендуемый материал - магнит AlNiCo; и размер может составлять всего 5 мм x 25 мм.

Блок схемы обнаружения несанкционированного доступа также требует наличия датчика для предупреждения пользователя, если замок был взломан и дверь была открыта. Опять же, рекомендуется использовать геркон и привод. Комбинация герконового переключателя и исполнительного механизма потребляет минимальное количество энергии, чтобы продлить срок службы батареи. Разработчики могут рассмотреть пару герконовых переключателей и исполнительных механизмов с регулируемой чувствительностью, чтобы обеспечить быструю реакцию на взлом замка.

Для защиты и срабатывания интеллектуального замка требуется всего четыре компонента. Эти компоненты занимают минимум площади на печатной плате и обеспечивают безопасный и надежный продукт.

Защита конструкций беспроводных датчиков дверей и окон

Беспроводные дверные и оконные датчики предоставляют информацию о состоянии окон и дверей. Пользователь может получить информацию о том, открыты или закрыты окна и двери, из любого места. На рис. 6 показана конфигурация оборудования как для беспроводного дверного датчика, так и для беспроводного оконного датчика. На рисунке также показаны рекомендуемые компоненты защиты и датчиков для каждого из элементов оборудования.

Рисунок 6. Показана беспроводная система обнаружения окон и дверей с рекомендованными компонентами защиты и обнаружения

На рисунке 7 показана блок-схема двух основных элементов системы. Схема датчика определяет положение окна или двери и передает информацию контроллеру, который также является интерфейсом для пользователя и передатчиком информации в любое место. Схема обнаружения находится на двери и окне и должна учитывать движение; таким образом, схема должна работать от батареи. Контроллер пользовательского интерфейса с клавиатурой находится в фиксированном месте, поэтому он может получать питание от сети переменного тока. Электропитание от сети переменного тока - типичное применение для коммерческих установок.

Рисунок 7. Блок-схема системы оконных и дверных датчиков с указанием схемных блоков и рекомендуемых компонентов защиты и датчиков

Как и в случае с интеллектуальным замком, разработчикам следует рассмотреть возможность использования герконово-магнитного привода для обнаружения приближения. Герконовый переключатель не требует включения питания и продлевает срок службы батареи сенсорной системы. Блоки схемы беспроводного интерфейса в датчике и контроллере пользовательского интерфейса могут использовать полимерные подавители электростатического разряда для обеспечения защиты от электростатического разряда при сохранении целостности радиочастотной передачи. Также как и интеллектуальный замок, блок схемы пользовательского интерфейса с его клавиатурой должен иметь защиту от электростатического разряда от контакта с человеком. Диодная матрица TVS может защитить чувствительные сигнальные линии от переходных процессов электростатического разряда.

Если источник питания переменного тока и источник питания переменного / постоянного тока питают контроллер пользовательского интерфейса, разработчикам необходимо защитить контроллер от потенциальных угроз со стороны линии переменного тока. Потенциальное повреждение электроники может возникнуть в результате перегрузки по току, ударов молнии и других переходных процессов напряжения, а также переходных процессов электростатического разряда. Разработчики могут защитить свои конструкции от этих условий с помощью предохранителей и устройств защиты от переходных процессов напряжения.

Существует множество вариантов предохранителей, в том числе их рабочие характеристики и тип корпуса, что позволяет удовлетворить широкий спектр проектных задач. Разработчикам следует учитывать предохранители с выдержкой времени или плавные предохранители, чтобы избежать нежелательных отключений. Кроме того, проектировщики должны выбрать номинальный ток предохранителя, чтобы выдерживать кратковременные перегрузки, такие как пусковые токи, где это применимо. Другие соображения включают номинал отключения, который определяет максимальный ток перегрузки, который может отключить предохранитель. Этот параметр зависит от размера предохранителя. Если требуется небольшой предохранитель, разработчик должен убедиться, что предохранитель выдерживает доступный ток короткого замыкания, подаваемый по линии переменного тока. И наконец, хладостойкость предохранителей. Если потребляемая мощность является первоочередной задачей, разработчикам следует искать предохранители с низким сопротивлением холоду.

Чтобы безопасно поглощать энергию переходного напряжения в линии переменного тока от молнии или скачков включения и выключения двигателя, разработчикам следует рассмотреть возможность использования металлооксидного варистора (MOV). MOV могут поглощать скачки тока до 10 000 А от переходного импульса 8/20 мкс. 20-миллиметровый MOV также может поглощать до 530 Дж энергии.

Альтернативным компонентом MOV является TVS-диод. Модели, разработанные для защиты цепей от молний и других переходных процессов, могут выдерживать мощность до 1500 Вт от импульса 10/1000 мкс. Чтобы свести к минимуму энергопотребление, TVS-диод потребляет менее 1 мкА при нормальных условиях эксплуатации. Кроме того, TVS-диод может быстро реагировать на переходные процессы менее чем за 1 пс. Доступны версии для поверхностного монтажа, чтобы минимизировать трудозатраты на сборку. На рисунке 8 показаны символы TVS-диода. Разработчики могут выбрать двунаправленный или однонаправленный диод.

Рисунок 8. Конфигурации для двунаправленного и однонаправленного TVS-диода

Как и в случае с интеллектуальным замком, для защиты цепей обнаружения окон и дверей не требуется много компонентов. У дизайнеров есть несколько вариантов выбора наиболее подходящих версий для своих продуктов.

Соответствие отраслевым стандартам для продуктов электронной безопасности

Дизайнеры должны знать стандарты, применимые к разрабатываемым ими продуктам, чтобы они могли учесть требования на этапе разработки своего проекта. Несоблюдение стандартов может привести к потенциально дорогостоящим работам по перепроектированию и задержкам во внедрении продукта.

В дополнение к общим стандартам безопасности продукции, таким как серия IEC 61000, которые определяют требования к устойчивости к электростатическому разряду, быстрым электрическим токам и молнии, существует специальный стандарт для электронных замков и сопутствующих товаров. В таблице 1 перечислены действующие стандарты для электронных замков и связанных устройств. Эти стандарты охватывают рынок Северной Америки и Китая. Документы являются важными справочными материалами для разработчиков интеллектуальных замков, оконных и дверных датчиков.

Таблица 1. Стандарты для электронных замков и сопутствующих товаров для Северной Америки и Китая

Резюме

Репутация производителя качественных, надежных и удобных продуктов является огромным конкурентным преимуществом для производителей умных замков и датчиков для окон и дверей. Использование соответствующих компонентов защиты и датчиков будет способствовать созданию безопасных и надежных продуктов. К счастью, дизайнерам требуется лишь небольшое количество компонентов для полной защиты своей продукции и соблюдения стандартов безопасности. С помощью датчиков с низким энергопотреблением разработчики могут максимально продлить срок службы батарей, чтобы свести к минимуму частоту замены батарей. У дизайнеров есть несколько альтернативных компонентов, которые они могут использовать. Последняя рекомендация для достижения оптимальной конструкции - воспользоваться опытом производителей компонентов и попросить их совета.

Дополнительную информацию о защите цепей, чувствительных устройствах и критериях выбора компонентов см. В Руководстве по выбору защиты цепи и Руководстве по выбору датчиков, любезно предоставленных Littelfuse.

Ссылки

1. Размер рынка Smart Lock. Grandview Research. Февраль 2020 г.
2. Обзор рынка Window Sensors. Перспективы маркетинговых исследований. Май 2019 г.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.