Desain Perlindungan dan Sensor Sirkuit Cerdas untuk Smart Home Locks dan Kontrol Akses
Artikel ini memberikan gambaran umum tentang topologi kontrol akses di rumah pintar dan bangunan industri dengan membahas berbagai solusi perlindungan dan penginderaan yang dapat digunakan insinyur dalam desain mereka.
Kombinasi teknologi smartphone, jaringan, dan internet-of-things (IoT) telah memungkinkan pengembangan rumah pintar dan otomatisasi gedung canggih. Teknologi ini memberikan peningkatan otomatisasi, kontrol, dan keamanan yang memberi pemilik rumah atau penghuni kantor peningkatan kenyamanan dan perasaan nyaman akan keamanan yang lebih besar. Di mana pun pemilik rumah atau penghuni kantor berada, mereka dapat melihat status kunci pintu serta jendela dan pintu mereka.
Insinyur yang merancang produk keamanan rumah dan bangunan seperti kunci pintar dan perangkat penginderaan jendela dan pintu perlu memastikan bahwa perangkat mereka tidak menciptakan rasa aman yang salah bagi pelanggan mereka. Desainer perlu memahami komponen perlindungan dan sensor yang diperlukan untuk mematuhi standar keselamatan yang berlaku dan untuk memastikan produk yang aman, kuat, dan andal.
Pasar untuk kunci pintar saja adalah pasar dengan pertumbuhan tinggi dan oportunistik untuk inovasi. Pertumbuhan global untuk kunci pintar diharapkan memiliki tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 25 persen dengan pertumbuhan unit meningkat dari sekitar tujuh juta unit pada 2019 menjadi sekitar 23 juta unit pada 20241. Pasar perumahan akan mewakili sebagian besar pertumbuhan , yang akan menjadi sekitar 70 persen.
Seperti halnya kunci pintar, peningkatan kesadaran akan keamanan pribadi akan mendorong pertumbuhan global sensor jendela dan pintu, terutama di negara berkembang. Pengiriman diharapkan meningkat dari sekitar 300 juta unit pada 2019 menjadi sekitar 465 juta unit pada 20242. Pertumbuhan ini berada pada CAGR sekitar sembilan persen. Pasar untuk produk keamanan rumah pintar adalah pasar yang sehat dan menarik.
Melindungi Desain Smart Lock
Kunci pintar terdiri dari keypad untuk akses manual, tautan protokol nirkabel untuk akses smartphone melalui aplikasi perangkat lunak, sensor untuk memantau posisi gagang pintu, aktuator untuk mengunci atau membuka kunci pintu, dan penginderaan untuk mendeteksi upaya untuk mengelak. kunci. Gambar 1 menunjukkan contoh kunci pintu pintar dengan perlindungan yang disarankan dan komponen sensor untuk memastikan pengoperasian yang andal. Gambar 2 memberikan diagram blok rinci dari kunci pintar; dan diagram menunjukkan penempatan yang disarankan untuk komponen perlindungan dan sensor yang disarankan.
Pelepasan muatan listrik statis (ESD) adalah bahaya utama bagi elektronik kunci pintar. Antarmuka pengguna dan antarmuka nirkabel rentan terhadap ESD dari pengguna.
Antarmuka Pengguna berisi papan tombol yang dihubungi seseorang untuk memasukkan kode akses yang telah diprogram sebelumnya. Seorang individu adalah sumber ESD, terutama di lingkungan yang kering. Desainer harus melindungi blok sirkuit Antarmuka Pengguna dari ESD untuk menghindari kerusakan pada elektronik sensitif.
Gambar 1. Kunci pintar dengan solusi perlindungan dan penginderaan yang direkomendasikan
Gambar 2. Diagram blok kunci pintar yang menunjukkan blok sirkuit tempat komponen perlindungan dan sensor direkomendasikan
Untuk perlindungan ESD, perancang harus mempertimbangkan dioda penekan tegangan transien (TVS) atau susunan dioda. Dioda TVS adalah dioda Zener yang dibuat dengan teknologi avalanche silikon dan dapat menawarkan tingkat perlindungan minimum ±15 kV dari tegangan ESD. Array dioda TVS dapat menampung enam dioda Zener untuk melindungi lima jalur sinyal dan menyediakan referensi ground. Lihat Gambar 3. Keuntungan dari array adalah bahwa satu komponen hemat-ruang dalam paket pemasangan permukaan 0402 dapat melindungi hingga lima baris.
Dampak pada blok sirkuit minimal; array dioda TVS dapat memiliki arus bocor hanya 1 A. Jika tingkat perlindungan ESD yang lebih tinggi diinginkan, dioda individu dapat memberikan perlindungan ESD untuk setiap saluran sinyal. Dioda TVS tunggal, yang ditunjukkan pada Gambar 4 dapat bertahan hingga ±30 kV. Konfigurasi apa pun yang digunakan, tempatkan dioda TVS sedekat mungkin dengan input rangkaian untuk mencegah transien ESD menembus ke dalam sirkuit.
Gambar 3. Contoh larik dioda TVS 5 baris
Gambar 4. Satu dioda TVS
Antarmuka nirkabel terhubung ke jaringan seluler atau LAN nirkabel, jaringan WiFi, untuk berkomunikasi dengan smartphone atau perangkat jaringan lainnya. Karena terkena lingkungan eksternal, Antarmuka Nirkabel harus memiliki perlindungan ESD. Komponen yang direkomendasikan adalah penekan ESD polimer.
Nilai dari penekan ESD polimer adalah kemampuannya untuk menanggapi dan menyerap transien ESD sementara memiliki dampak yang dapat diabaikan pada impedansi karakteristik dari keluaran antarmuka nirkabel. Penekan ESD polimer dapat menahan ESD kontak langsung ±8 kV dan serangan udara ±15 kV. Kapasitansi tipikal untuk komponen adalah 0,06 pF yang rendah. Waktu respons untuk transien sangat cepat, di bawah 1 ns. Penempatan harus sedekat mungkin dengan konektor antena input. Gambar 5 menunjukkan dua konfigurasi untuk penekan ESD polimer, komponen dua arah.
Gambar 5. Konfigurasi untuk penekan ESD polimer, komponen dua arah
Rekomendasi Sensor untuk Smart Locks
Deteksi untuk memastikan pintu benar-benar duduk di kusen pintu membutuhkan sensor. Sakelar buluh dengan aktuator magnetik adalah solusi penginderaan berdaya rendah untuk kunci pintar yang dioperasikan dengan baterai. Sakelar buluh tidak memerlukan daya penggerak apa pun dan tertutup rapat untuk masa pakai yang lama di lingkungan apa pun. Versi dapat beralih 10 W dengan peringkat hingga 0,5 A atau hingga 200 V. Sakelar sangat cocok untuk digunakan di sirkuit pengontrol tegangan rendah. Selain itu, versi pemasangan permukaan tersedia untuk perakitan papan sirkuit otomatis.
Desainer harus mempertimbangkan aktuator magnet silinder yang dirancang untuk dipasang pada kusen seperti kusen pintu. Magnet AlNiCo adalah bahan yang direkomendasikan; dan, ukurannya bisa sekecil 5 mm x 25 mm.
Blok sirkuit Deteksi Tamper juga memerlukan sensor untuk memperingatkan pengguna jika kunci telah disusupi dan pintu telah dibuka. Sekali lagi, saklar buluh dan aktuator direkomendasikan. Kombinasi reed switch-aktuator mengkonsumsi daya minimal untuk memaksimalkan masa pakai baterai. Desainer dapat mempertimbangkan pasangan aktuator sakelar buluh dengan sensitivitas yang dapat disesuaikan untuk memastikan respons yang cepat terhadap kunci yang rusak.
Hanya dibutuhkan empat komponen untuk memberikan perlindungan dan penginderaan untuk kunci pintar. Komponen-komponen ini menggunakan sedikit real estat papan sirkuit dan memastikan produk yang aman dan andal.
Melindungi Desain Sensor Pintu dan Jendela Nirkabel
Sensor pintu dan jendela nirkabel memberikan informasi tentang keadaan jendela dan pintu. Pengguna dapat memperoleh informasi apakah jendela dan pintu terbuka atau tertutup dari lokasi mana pun. Gambar 6 menunjukkan konfigurasi perangkat keras untuk sensor pintu nirkabel dan sensor jendela nirkabel. Gambar tersebut juga menunjukkan komponen perlindungan dan sensor yang direkomendasikan untuk setiap elemen perangkat keras.
Gambar 6. Sistem sensor jendela dan pintu nirkabel dengan perlindungan yang direkomendasikan dan komponen sensor yang ditampilkan
Gambar 7 menunjukkan diagram blok dari dua elemen utama sistem. Sirkuit sensor mendeteksi posisi jendela atau pintu dan melaporkan informasi ke pengontrol yang juga merupakan antarmuka bagi pengguna dan pemancar informasi ke lokasi mana pun. Sirkuit penginderaan ada di pintu dan jendela dan harus memungkinkan pergerakan; dengan demikian, sirkuit harus dioperasikan dengan baterai. Pengontrol Antarmuka Pengguna dengan keypad berada di lokasi tetap sehingga dapat dialiri listrik AC. Saluran listrik AC adalah aplikasi umum untuk instalasi komersial.
Gambar 7. Diagram blok sistem sensor jendela dan pintu yang menunjukkan blok sirkuit dan komponen perlindungan dan sensor yang direkomendasikan
Seperti halnya kunci pintar, perancang harus mempertimbangkan aktuator magnet sakelar buluh untuk deteksi jarak. Tanpa daya aktivasi yang diperlukan, sakelar buluh memperpanjang masa pakai baterai sistem sensor. Blok sirkuit Antarmuka Nirkabel di sensor dan pengontrol antarmuka pengguna dapat menggunakan penekan ESD polimer untuk memastikan perlindungan dari ESD sambil mempertahankan integritas transmisi RF. Juga mirip dengan kunci pintar, blok sirkuit Antarmuka Pengguna dengan keypadnya harus memiliki perlindungan ESD dari kontak manusia. Array dioda TVS dapat melindungi jalur sinyal sensitif dari transien ESD.
Di mana daya AC dan catu daya AC-DC memberi energi pada Kontroler Antarmuka Pengguna, perancang perlu melindungi pengontrol dari potensi ancaman dari saluran AC. Potensi kerusakan elektronik dapat berasal dari kondisi arus lebih, sambaran petir dan transien tegangan lainnya, dan transien ESD. Desainer dapat melindungi desain mereka dari kondisi ini dengan perangkat perlindungan transien sekering dan tegangan.
Ada banyak pilihan untuk sekering termasuk karakteristik pengoperasian sekering dan gaya casing untuk memenuhi berbagai tujuan desain. Desainer harus mempertimbangkan sekering waktu tunda atau slo-blo untuk menghindari gangguan shutdown. Selain itu, perancang harus memilih peringkat arus sekering untuk mengakomodasi kelebihan beban jangka pendek seperti arus buru-buru jika ada. Pertimbangan lain termasuk peringkat interupsi yang menentukan arus beban lebih maksimum yang dapat diinterupsi oleh sekering. Parameter ini ditukar dengan ukuran sekering. Jika sekering kecil diperlukan, perancang perlu memastikan bahwa sekering dapat menahan arus hubung singkat yang tersedia yang disuplai oleh saluran AC. Pertimbangan terakhir adalah ketahanan dingin sekering. Jika konsumsi daya menjadi perhatian utama, maka desainer harus mencari sekering dengan resistansi dingin yang rendah.
Untuk menyerap energi dengan aman dari transien tegangan pada saluran AC dari petir atau lonjakan nyala dan mati motor, perancang harus mempertimbangkan untuk menggunakan varistor oksida logam (MOV). MOV dapat menyerap lonjakan arus setinggi 10.000 A dari pulsa transien 8/20 s. Sebuah MOV 20mm juga dapat menyerap energi sebanyak 530 J.
Komponen alternatif untuk MOV adalah dioda TVS. Model yang dikembangkan untuk melindungi sirkuit dari petir dan transien lainnya dapat menahan daya hingga 1500 W dari pulsa 10/1000 s. Untuk meminimalkan konsumsi daya, dioda TVS menarik kurang dari 1 A dalam kondisi operasi normal. Selain itu, dioda TVS dapat merespons transien dengan cepat dalam waktu kurang dari 1 ps. Versi pemasangan permukaan tersedia untuk meminimalkan tenaga kerja perakitan. Gambar 8 menunjukkan simbol untuk dioda TVS. Desainer dapat memilih dioda dua arah atau dioda satu arah.
Gambar 8. Konfigurasi untuk dioda TVS dua arah dan satu arah
Seperti halnya kunci pintar, tidak diperlukan banyak komponen untuk melindungi sirkuit penginderaan jendela dan pintu. Desainer memiliki sejumlah opsi untuk memilih versi yang paling sesuai untuk produk mereka.
Mematuhi Standar Industri untuk Produk Keamanan Elektronik
Desainer harus memiliki pengetahuan tentang standar yang berlaku untuk produk yang mereka kembangkan sehingga mereka dapat memasukkan persyaratan selama fase pengembangan proyek mereka. Kegagalan untuk mengakomodasi standar dapat menyebabkan pekerjaan desain ulang yang berpotensi mahal dan penundaan pengenalan produk.
Selain standar keamanan produk umum seperti seri IEC 61000 yang menetapkan persyaratan untuk menahan ESD, transien cepat secara elektrik, dan kilat, ada standar khusus untuk penguncian elektronik dan produk terkait. Tabel 1 mencantumkan standar yang berlaku untuk penguncian elektronik dan perangkat terkait. Standar ini mencakup pasar Amerika Utara dan China. Dokumen tersebut merupakan bahan referensi penting bagi perancang kunci pintar serta sensor jendela dan pintu.
Tabel 1. Standar untuk Penguncian Elektronik dan Produk Terkait untuk Amerika Utara dan China
Ringkasan
Reputasi untuk kualitas, keandalan, dan kenyamanan adalah keunggulan kompetitif yang luar biasa bagi produsen kunci pintar dan produk penginderaan jendela dan pintu. Memasukkan komponen perlindungan dan penginderaan yang tepat akan berkontribusi untuk mencapai produk yang aman dan kuat. Untungnya, desainer hanya membutuhkan sejumlah kecil komponen untuk sepenuhnya melindungi produk mereka dan mematuhi standar keselamatan. Dengan sensor energi rendah, desainer dapat memaksimalkan masa pakai baterai untuk meminimalkan frekuensi penggantian baterai. Desainer memiliki sejumlah komponen alternatif yang dapat mereka gunakan. Satu rekomendasi terakhir untuk mencapai desain yang optimal adalah dengan memanfaatkan keahlian dari produsen komponen dan meminta saran mereka.
Untuk informasi lebih lanjut tentang perlindungan sirkuit, perangkat penginderaan, dan kriteria pemilihan komponen, lihat Panduan Pemilihan Perlindungan Sirkuit dan Panduan Pemilihan Produk Sensing milik Littelfuse.
Referensi
- Ukuran Pasar Kunci Cerdas. Penelitian Grandview. Februari 2020.
- Prospek Pasar Sensor Jendela. Riset Pasar Outlook. Mei 2019.
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.
