使用能量收集为安装和系统设计方面提供电力

电源是安装电子锁等门禁控制系统的关键挑战。能够从环境中为这些设备供电，可以降低成本，简化集成和安装，并且通过消除切断电源的脆弱性，可以使整个系统更加安全。本文着眼于使用能量收集和电源管理的选项，为连接到物联网的加密无线访问控制系统提供电源，特别关注太阳能。

为电源提供电源。门禁系统是智能建筑改造的关键限制因素。必须上下运行电力电缆既复杂又昂贵，系统架构师正在寻找为智能系统提供电力的不同方法。必须定期更换数千个门锁中的电池是昂贵的，并且在许多情况下是不切实际的。

相反，能量收集提供了在没有大量布线的情况下提供电力的机会，但在安装和系统设计方面存在一些关键因素，具体取决于能源。

用于门禁控制的两种最合适的能量收集技术是太阳能和热能。虽然这些电流产生相对较小的电流，但这适用于访问控制，其中需要小的突发电源来授权访问 - 通常通过无线链接或卡刷卡 - 并从捕获和存储的电流中释放锁定。返回监控网关的无线链路还提供更高的安全性，并且可以用于在电源被切断或未经授权尝试进入时触发警报。使用具有无线链路的能量收集方法消除了对昂贵的电缆基础设施的需要并简化了这种系统的改造。

对于外门，使用珀耳帖效应可以利用能源来利用温差。这利用了金属的不同电气和热性能，使得Peltier发动机，例如Laird Technologies（图1）的WPG-1，可以安装在门中或通过一侧比另一侧更暖的壁上。然后，这产生可用于给电池充电以给门禁系统供电的电流。

WPG-1是一款独立的薄膜热电发电机，可以收集废热并将其转换为可用的输出直流电。一个WPG-1可以产生高达1.5 mW的可用输出功率，并且可以处理各种负载电阻。内置超低压升压转换器，可在低于20°C的低温差下提供可用的输出功率。可以调节输出功率以适应三个电压设定点：3.3 V，4.1 V或5.0 V.

图1：WPG-1能量收获发电机可以从温差产生高达1.5 mW的功率。

需要一个本地电池来捕获和平滑来自源的电流，这可能是非常多变的，但也是为了安全。即使切断电源，访问控制系统也需要保持可用，因此使用本地电池比直接由电源供电的系统具有优势。

然而，可以为门禁系统收获的主要电力来源很少。使用太阳能电池板为系统提供电力是经济有效的，可以使用自然光或人造光。今天的能量收集面板和电源管理可以跟踪最佳充电速率，以最大限度地减少损耗，并尽可能多地保留捕获的电流，以用于无线链路和访问授权。

EnOcean的入门套件（图2） ）旨在为工程师提供探索自供电无线技术性能的工具。

图2：EnOcean的入门套件允许设计人员评估由太阳能电池供电的无线接入控制器的不同架构。

该套件包括用于门禁控制系统的开关的机电发电机以及太阳能传感器。由自加电开关和传感器发送的315MHz的RF信号由USB加密狗接收，以在PC屏幕上可视化。 DolphinView Basic软件解释EnOcean无线电报，演示如何使用摇臂开关产生的电力，无需电池即可实现无线遥控器。该系统还支持太阳能电池为无线链路供电。

Panasonic的Amorton非晶太阳能电池可提供5.3μA至84μA的室内光，或5 mA至115 mA的室外光。电池采用玻璃封装，用于最基本的基板，或者作为薄膜，可以轻松添加到任何结构中以提供电力。通过备用电池，可以轻松添加基于薄膜的电池，而无需担心布线或安全性。由于权重不是问题，可以根据访问控制系统所需的功率量来确定单元阵列的大小。对于室外系统，这当然可以更小，但室内系统也可以使用相同的技术，为系统设计师创造规模经济。

图3：Panasonic的Amorton太阳能电池在不同环境下使用玻璃或塑料薄膜基板。

太阳能电池板和Peltier发动机都需要专门的电源管理设备来捕获电流并管理电池供电凌力尔特公司的LTM8062是一款完整的微功率跟踪电池充电器，可提供恒定电流/恒定电压充电特性。它使用3.3 V浮动电压反馈参考，因此LTM8062的任何所需电池浮动电压可高达14.4 V，可通过电阻分压器进行编程。

这是通过输入电压调节环路实现的，如果输入电压低于编程电平（通过电阻分压器设置），则可以降低充电电流。该输入调节回路用于使用最大峰值功率跟踪（MPPT）算法将太阳能电池板维持在峰值输出功率。

典型的太阳能电池板由多个串联电池组成，每个电池是一个正向偏置的pn结。因此，电池的开路电压具有与普通p-n二极管类似的温度系数，或约-2mV/℃。晶体太阳能电池板的峰值功率点电压（VMP）可以近似为低于V的固定电压，因此峰值功率点的温度系数类似于开路电压的温度系数。面板制造商通常会为这两个值指定25°C，因此带有温度传感器的反馈网络可用于对电压输入进行编程，以跟踪最大峰值功率，从而获得最有效的功率转换，因为更多光线落在单元上热。

LTM8062还包括预处理涓流充电，以便可以从太阳能电池的少量电流中不断但安全地对电池充电，以及电池检测不良以简化维护和维修。

同样，德州仪器（TI）的bq25504专门设计用于从太阳能或热源中有效地获取和管理纳米功率，这些太阳能或热源在3 x 3 mm封装中产生微瓦至毫瓦。 bq25504的设计始于DC-DC升压转换器/充电器，仅需要微瓦的电源即可开始工作。一旦启动，这可以有效地从低压输出收集器（例如热电发电机或太阳能电池板）提取电力。升压转换器可以在低至330 mV的电压下启动，一旦启动，可以继续将能量降至80 mV。

bq25504还实现了可编程MPPT采样网络，以优化电源转换装置。对VIN_DC进行采样时，使用外部电阻对开路电压进行编程，并使用外部电容进行保持。对于工作在其开路电压的80％的最大功率点（MPP）的太阳能电池，电阻分压器可以设置为VIN_DC电压的80％，并且网络将控制VIN_DC在该采样的参考电压附近工作。或者，微控制器MCU可以提供外部参考电压，以产生更复杂的MPPT算法。

图4：bq25504的功能框图显示了最大峰值功率跟踪（MPPT）控制器在太阳能电池中获取功率的关键作用。

为了防止损坏电池，可以根据用户编程的欠压（UV）和过压（OV）电平监控最大和最小电压，并且电源管理器可以在电池上的电压时向连接的微控制器发出信号降至预设临界水平以下。该警告应触发负载电流的减小，以防止系统进入欠压状态，但在设计门禁系统时必须予以考虑。

结论

电源管理芯片的集成意味着许多不同类型的能源可用于无线访问控制系统，为系统实施提供了极大的灵活性，并大大减少了需要复杂的布线基础设施。然而，采集源的选择仍然是系统设计者的关键考虑因素。使用内部或外部太阳能电池或热能将具有不同的电源管理考虑因素，从温度补偿和跟踪到欠压和过压监控。由于欠压条件而导致门禁控制系统关闭并不是一个积极的情况，设计人员需要特别注意电源管理要求，以便从他们的能量收集设计中获得最大收益。