Conception intelligente de protection et de détection de circuits pour les serrures et les contrôles d'accès des maisons intelligentes

Cet article donne un aperçu de la topologie du contrôle d'accès dans les maisons intelligentes et les bâtiments industriels en couvrant les différentes solutions de protection et de détection que les ingénieurs peuvent utiliser dans leurs conceptions.

La combinaison des technologies des smartphones, des réseaux et de l'Internet des objets (IoT) a permis le développement de la maison intelligente et de l'automatisation avancée des bâtiments. Ces technologies offrent une automatisation, un contrôle et une sécurité accrus, offrant au propriétaire ou à l'occupant du bureau un confort accru et le sentiment réconfortant d'une plus grande sécurité. Où que se trouve le propriétaire ou l'occupant du bureau, ils peuvent voir l'état de leur serrure de porte et de leurs fenêtres et portes.

Les ingénieurs qui conçoivent des produits de sécurité pour les maisons et les bâtiments, tels que les serrures intelligentes et les dispositifs de détection de fenêtres et de portes, doivent s'assurer que leurs dispositifs ne créent pas un faux sentiment de sécurité pour leurs clients. Les concepteurs doivent comprendre les composants de protection et de détection requis pour se conformer aux normes de sécurité applicables et pour garantir des produits sûrs, robustes et fiables.

Le marché des serrures intelligentes à lui seul est un marché à forte croissance et propice à l'innovation. La croissance mondiale des serrures intelligentes devrait avoir un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 25 %, la croissance des unités passant d'environ sept millions d'unités en 2019 à environ 23 millions d'unités en 20241. Le marché résidentiel représentera la majorité de la croissance. , qui sera d'environ 70 %.

Comme pour les serrures intelligentes, la prise de conscience accrue de la sécurité personnelle stimulera la croissance mondiale des capteurs de fenêtres et de portes, en particulier dans les économies en développement. Les expéditions devraient passer d'environ 300 millions d'unités en 2019 à environ 465 millions d'unités en 20242. Cette croissance correspond à un TCAC d'environ 9 %. Le marché des produits de sécurité domestique intelligents est un marché sain et attrayant.

Protéger les conceptions de serrures intelligentes

Une serrure intelligente se compose d'un clavier pour l'accès manuel, d'un lien de protocole sans fil pour l'accès au smartphone via une application logicielle, d'un capteur pour surveiller la position de la poignée de porte, d'actionneurs pour verrouiller ou déverrouiller la porte et d'une détection pour détecter un effort à contourner le verrou. La figure 1 montre un exemple de serrure de porte intelligente avec des composants de protection et de détection suggérés pour assurer un fonctionnement fiable. La figure 2 fournit un schéma fonctionnel détaillé d'une serrure intelligente ; et le diagramme montre l'emplacement recommandé pour les composants de protection et de détection suggérés.

Les décharges électrostatiques (ESD) sont le principal danger pour l'électronique des serrures intelligentes. L'interface utilisateur et l'interface sans fil sont toutes deux sensibles aux décharges électrostatiques de la part de l'utilisateur.

L'interface utilisateur contient le clavier qu'une personne contacte pour entrer le code d'accès préprogrammé. Un individu est une source d'ESD, en particulier dans un environnement sec. Les concepteurs doivent protéger le bloc de circuit de l'interface utilisateur contre les décharges électrostatiques pour éviter d'endommager les composants électroniques sensibles.

Figure 1. Une serrure intelligente avec des solutions de protection et de détection recommandées

Figure 2. Schéma fonctionnel de la serrure intelligente montrant les blocs de circuit où les composants de protection et de détection sont recommandés

Pour la protection ESD, les concepteurs doivent envisager une diode de suppression de tension transitoire (TVS) ou un réseau de diodes. Les diodes TVS sont des diodes Zener construites avec une technologie d'avalanche au silicium et peuvent offrir un niveau de protection minimum de ±15 kV de tension ESD. Un réseau de diodes TVS peut contenir six diodes Zener pour protéger cinq lignes de signaux et fournir une référence à la terre. Voir Figure 3. L'avantage d'une baie est qu'un composant peu encombrant dans un boîtier à montage en surface 0402 peut protéger jusqu'à cinq lignes.

L'impact sur le bloc de circuit est minime; un réseau de diodes TVS peut avoir un courant de fuite de seulement 1 µA. Si un niveau plus élevé de protection ESD est souhaité, une diode individuelle peut fournir une protection ESD pour chaque ligne de signal. Une seule diode TVS, illustrée à la figure 4, peut supporter jusqu'à ±30 kV. Quelle que soit la configuration utilisée, placez les diodes TVS aussi près que possible de l'entrée du circuit pour éviter qu'un transitoire ESD ne pénètre dans le circuit.

Figure 3. Exemple de matrice de diodes TVS à 5 lignes

Figure 4. Une seule diode TVS

L'interface sans fil se connecte au réseau cellulaire ou à un réseau local sans fil, un réseau WiFi, pour communiquer avec un smartphone ou un autre appareil en réseau. Étant donné qu'elle est exposée à l'environnement externe, l'interface sans fil doit être protégée contre les décharges électrostatiques. Le composant recommandé est un suppresseur ESD en polymère.

La valeur d'un suppresseur ESD polymère est sa capacité à répondre et à absorber les transitoires ESD tout en ayant un impact négligeable sur l'impédance caractéristique de la sortie de l'interface sans fil. Les suppresseurs ESD en polymère peuvent résister à une ESD à contact direct de ±8 kV et à une frappe aérienne de ±15 kV. La capacité typique du composant est de 0,06 pF. Le temps de réponse à un transitoire est extrêmement rapide, inférieur à 1 ns. Le placement doit être aussi proche que possible du connecteur d'antenne d'entrée. La figure 5 montre deux configurations pour les suppresseurs ESD en polymère, composants bidirectionnels.

Figure 5. Configurations pour suppresseurs ESD polymères, composants bidirectionnels

Recommandations de détection pour les serrures intelligentes

La détection pour s'assurer que la porte est complètement insérée dans le cadre de la porte nécessite un capteur. Un interrupteur à lames avec un actionneur magnétique est une solution de détection de faible puissance pour une serrure intelligente à piles. Les interrupteurs Reed ne nécessitent aucune puissance d'entraînement et sont hermétiquement scellés pour une longue durée de vie dans n'importe quel environnement. Les versions peuvent commuter 10 W avec des valeurs nominales jusqu'à 0,5 A ou jusqu'à 200 V. Les commutateurs sont très bien adaptés pour une utilisation dans des circuits de contrôleur basse tension. De plus, des versions à montage en surface sont disponibles pour l'assemblage automatisé de cartes de circuits imprimés.

Les concepteurs devraient envisager un actionneur magnétique cylindrique conçu pour être monté sur un cadre tel qu'un cadre de porte. Un aimant AlNiCo est le matériau recommandé; et, la taille peut être aussi petite que 5 mm x 25 mm.

Le bloc de circuit de détection de sabotage nécessite également un capteur pour alerter l'utilisateur si la serrure a été compromise et que la porte a été ouverte. Encore une fois, un interrupteur à lames et un actionneur sont recommandés. La combinaison interrupteur à lame et actionneur consomme une quantité minimale d'énergie pour maximiser la durée de vie de la batterie. Les concepteurs peuvent envisager une paire d'interrupteurs à lames flexibles avec une sensibilité réglable pour assurer une réponse rapide à un verrou falsifié.

Il ne faut que quatre composants pour fournir à la fois la protection et la détection d'une serrure intelligente. Ces composants consomment un minimum d'espace sur les circuits imprimés et garantissent un produit sûr et fiable.

Protéger les conceptions de capteurs de portes et fenêtres sans fil

Les capteurs sans fil pour portes et fenêtres fournissent des informations sur l'état des fenêtres et des portes. L'utilisateur peut obtenir des informations sur l'ouverture ou la fermeture des fenêtres et des portes depuis n'importe quel endroit. La figure 6 montre une configuration matérielle pour un capteur de porte sans fil et un capteur de fenêtre sans fil. La figure montre également les composants de protection et de détection recommandés pour chacun des éléments matériels.

Figure 6. Système de détection sans fil pour fenêtres et portes avec protection recommandée et composants de détection illustrés

La figure 7 montre le schéma fonctionnel des deux éléments principaux du système. Le circuit du capteur détecte la position de la fenêtre ou de la porte et rapporte les informations à un contrôleur qui est également l'interface pour l'utilisateur et le transmetteur d'informations à n'importe quel endroit. Le circuit de détection se trouve sur la porte et la fenêtre et doit permettre le mouvement ; ainsi, les circuits doivent être alimentés par batterie. Le contrôleur d'interface utilisateur avec le clavier est dans un emplacement fixe afin qu'il puisse être alimenté par une ligne CA. L'alimentation secteur est une application typique pour les installations commerciales.

Figure 7. Schéma fonctionnel d'un système de capteur de fenêtre et de porte montrant les blocs de circuit et les composants de protection et de détection recommandés

Comme pour la serrure intelligente, les concepteurs devraient envisager un actionneur magnétique à interrupteur à lames pour la détection de proximité. Sans puissance d'activation requise, le commutateur à lames prolonge la durée de vie de la batterie du système de capteur. Les blocs de circuit d'interface sans fil dans le capteur et le contrôleur d'interface utilisateur peuvent utiliser des suppresseurs ESD en polymère pour assurer la protection contre les ESD tout en maintenant l'intégrité de la transmission RF. Également similaire à la serrure intelligente, le bloc de circuit de l'interface utilisateur avec son clavier doit être protégé contre les décharges électrostatiques contre les contacts humains. Un réseau de diodes TVS peut protéger les lignes de signaux sensibles des transitoires ESD.

Lorsque l'alimentation CA et une alimentation CA-CC alimentent le contrôleur d'interface utilisateur, les concepteurs doivent protéger le contrôleur contre les menaces potentielles de la ligne CA. Les dommages potentiels à l'électronique peuvent provenir de conditions de surintensité, de coups de foudre et d'autres transitoires de tension, ainsi que des transitoires ESD. Les concepteurs peuvent protéger leurs conceptions de ces conditions avec des fusibles et des dispositifs de protection contre les transitoires de tension.

Il existe de nombreuses options pour les fusibles, y compris les caractéristiques de fonctionnement du fusible et le style de boîtier pour répondre à un large éventail d'objectifs de conception. Les concepteurs doivent envisager des fusibles temporisés ou slo-blo pour éviter les arrêts intempestifs. De plus, les concepteurs doivent sélectionner le courant nominal du fusible pour s'adapter aux surcharges à court terme telles que les courants d'appel, le cas échéant. D'autres considérations incluent le taux d'interruption qui définit le courant de surcharge maximal que le fusible peut interrompre. Ce paramètre est compromis avec la taille du fusible. Si un petit fusible est nécessaire, le concepteur devra s'assurer que le fusible peut supporter le courant de court-circuit disponible fourni par la ligne CA. Une dernière considération est la résistance au froid des fusibles. Si la consommation d'énergie est une préoccupation majeure, les concepteurs doivent rechercher un fusible à faible résistance au froid.

Pour absorber en toute sécurité l'énergie d'un transitoire de tension sur la ligne CA provenant de la foudre ou des pointes d'allumage et d'extinction du moteur, les concepteurs doivent envisager d'utiliser une varistance à oxyde métallique (MOV). Les MOV peuvent absorber une surtension de courant aussi élevée que 10 000 A à partir d'une impulsion transitoire de 8/20 µs. Un MOV de 20 mm peut également absorber jusqu'à 530 J d'énergie.

Un composant alternatif à un MOV est une diode TVS. Les modèles développés pour protéger les circuits de la foudre et d'autres transitoires peuvent supporter jusqu'à 1500 W de puissance à partir d'une impulsion de 10/1000 µs. Pour minimiser la consommation d'énergie, une diode TVS consomme moins de 1 µA dans des conditions de fonctionnement normales. De plus, une diode TVS peut répondre rapidement à un transitoire en moins de 1 ps. Des versions à montage en surface sont disponibles pour minimiser le travail d'assemblage. La figure 8 montre les symboles d'une diode TVS. Les concepteurs peuvent sélectionner une diode bidirectionnelle ou une diode unidirectionnelle.

Figure 8. Configurations pour une diode TVS bidirectionnelle et unidirectionnelle

Comme pour une serrure intelligente, il ne faut pas beaucoup de composants pour protéger les circuits de détection des fenêtres et des portes. Les concepteurs disposent d'un certain nombre d'options pour sélectionner les versions les plus adaptées à leurs produits.

Conformité aux normes de l'industrie pour les produits de sécurité électronique

Les concepteurs doivent connaître les normes qui s'appliquent aux produits qu'ils développent afin de pouvoir intégrer les exigences pendant la phase de développement de leur projet. Le non-respect des normes peut entraîner des travaux de refonte potentiellement coûteux et des retards dans l'introduction du produit.

En plus des normes générales de sécurité des produits telles que la série IEC 61000 qui définissent les exigences de résistance aux décharges électrostatiques, aux transitoires électriques rapides et à la foudre, des normes spécifiques existent pour le verrouillage électronique et les produits associés. Le tableau 1 répertorie les normes applicables pour le verrouillage électronique et les dispositifs associés. Ces normes couvrent le marché nord-américain et la Chine. Les documents sont des documents de référence essentiels pour les concepteurs de serrures intelligentes et de capteurs de fenêtres et de portes.

Tableau 1. Normes de verrouillage électronique et produits connexes pour l'Amérique du Nord et la Chine

Résumé

Une réputation de qualité, de fiabilité et de commodité est un avantage concurrentiel considérable pour les fabricants de serrures intelligentes et de produits de détection de fenêtres et de portes. L'intégration des composants de protection et de détection appropriés contribuera à la réalisation de produits sûrs et robustes. Heureusement, les concepteurs n'ont besoin que d'un petit nombre de composants pour protéger pleinement leurs produits et se conformer aux normes de sécurité. Avec des capteurs à faible consommation d'énergie, les concepteurs peuvent maximiser la durée de vie de la batterie pour minimiser la fréquence de remplacement de la batterie. Les concepteurs disposent d'un certain nombre de composants alternatifs qu'ils peuvent utiliser. Une dernière recommandation pour parvenir à une conception optimale est de profiter de l'expertise des fabricants de composants et de solliciter leurs conseils.

Pour plus d'informations sur la protection des circuits, les dispositifs de détection et les critères de sélection des composants, consultez le Guide de sélection des protections de circuits et le Guide de sélection des produits de détection avec l'aimable autorisation de Littelfuse.

Références

1. Taille du marché des serrures intelligentes. Recherche Grandview. Février 2020.
2. Perspectives du marché des capteurs de fenêtre. Étude de marché sur les perspectives. Mai 2019.

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