羅德與施瓦茨產(chǎn)品在智能門鎖功耗測試中的應(yīng)用

何為智能門鎖呢？它也被稱為數(shù)字門鎖，是為了取代前門上的螺栓鎖而設(shè)計的，是一種支持Wi-Fi或藍牙的智能家居設(shè)備，用戶可以把家里的鑰匙留在家里，使用其他方式鎖門和開鎖。

在智能家居迅速發(fā)展的背景下，智能鎖市場也迎來了爆發(fā)性增長。隨著消費者越來越多地使用智能家居技術(shù)，智能鎖已經(jīng)成為一種重要的設(shè)備。全國五金工業(yè)信息中心數(shù)據(jù)顯示，2024年上半年全國智能門鎖出貨量為1055萬套，同比增長5.5%，呈現(xiàn)增長趨勢，中國目前的滲透率在5%~10%左右，中國的智能門鎖還處于初步發(fā)展階段。

在享受互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利的同時，人們也對智能門鎖提出了兩個主要關(guān)切：首先，智能門鎖的安全性是用戶最關(guān)心的問題，即它們是否能夠提供足夠的安全保障。其次，智能門鎖需要具備較長的使用壽命和較低的能耗，這意味著它們必須在保持功能性的同時，實現(xiàn)低功耗。

智能門鎖的能耗控制是一個關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)，往往涉及各種功能，尤其無線互聯(lián)芯片的工作功耗控制以及電池本身的功耗管理。在考慮優(yōu)化能耗之前，我們首先要關(guān)注智能門鎖的功耗表征，即需要測準(zhǔn)產(chǎn)品的功耗，并監(jiān)控不同工作狀態(tài)和運行不同功能的功耗，這樣才能明確功耗優(yōu)化的方向，做到有的放矢，為功耗優(yōu)化做保障。

智能門鎖使用的電源為電池，國家鎖具產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中針對使用的電池也做了明確的要求，具體可以參考標(biāo)準(zhǔn)GB21556-2008。

智能門鎖

電池通常采用以下三種：

(A)干電池供電：這種供電方式多用于基礎(chǔ)款智能門鎖，因為這些鎖的功能較為簡單，對電壓和電池容量的需求不高。知名品牌的智能門鎖使用干電池供電時，續(xù)航能力可以達到一年以上。其優(yōu)點在于電池更換簡單快捷，但缺點是不夠環(huán)保。

(B)鋰電池供電：這種供電方式適用于功耗較高的智能門鎖，例如那些配備機械自動鎖體、3D人臉識別功能的鎖。鋰電池因其較大的功率，能夠支持更多的智能功能。不過，其缺點在于電池更換較為復(fù)雜，且在電量耗盡時可能導(dǎo)致門鎖無法使用，因此建議家中常備備用電池。

(C)鋰電池與干電池混合供電：這種供電方式多見于多功能智能門鎖，其中鋰電池負責(zé)提供高功耗功能所需的電力，而干電池則負責(zé)基礎(chǔ)功能的供電。這樣做的優(yōu)點是即使鋰電池電量耗盡，門鎖的基礎(chǔ)功能仍然可以正常運作。缺點是需要準(zhǔn)備兩種電池的備用方案，并定期檢查兩種電池的電量，以確保門鎖始終有電可用。

要使電池保持較低的功耗以及減少換電成本和充電次數(shù)，那么有必要了解智能門鎖的功耗特征。

功耗特征表現(xiàn)為四個方面：

靜態(tài)功耗與動態(tài)功耗：智能門鎖在靜態(tài)（待機）狀態(tài)下的功耗典型值為幾十微安培（uA），而在動態(tài)（開鎖）狀態(tài)下的功耗典型值為幾百毫安培（mA），開鎖時間持續(xù)約3秒左右。

電池容量與理論使用時間：以5號堿性干電池為例，容量在2000-2500毫安時（mA.h），理論上，如果每天開鎖10次，每次開鎖大電流持續(xù)3秒，其他時間低功耗待機，那么4節(jié)5號堿性干電池可以使用超過一年。

智能功能差異因素：智能門鎖的功耗差異主要是由于開鎖方式和輸入形式不同造成的。例如，具備藍牙或APP遠程開鎖功能、無門把手自動開鎖的待機功率相對較高，具有屏幕喚醒功能的則功率較低。

輕載與重載性能：智能門鎖在輕載（如休眠狀態(tài)）和重載（如電機啟動開關(guān)門）時的電源效率不同。例如，一個普通的Buck DC-DC芯片在100mA電流消耗下可以達到85%以上的效率，但在50uA的情況下，轉(zhuǎn)化效率通常遠低于50%。

應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，R&S羅德與施瓦茨也提供了專業(yè)的測量方案：基于NGM200系列高精度直流電源低功耗測量方案。

NGM202前面板

NGM202后面板

R&SNGM200 電源是一款先進的通用設(shè)備，不僅可以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)這個目標(biāo)，還可用于各種實驗室日常應(yīng)用。對于 IoT 模塊、可穿戴設(shè)備、微型器械和其他移動電子設(shè)備的開發(fā)人員而言，確保低電流消耗至關(guān)重要。

針對智能門鎖低功耗測試要求，R&SNGM200 電源提供了相應(yīng)的測試方案。

這些指標(biāo)和要求不僅限于智能門鎖，還包括其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，確保它們低功耗性能至關(guān)重要，有助于針對使用電池的產(chǎn)品進行優(yōu)化，延長電池壽命、降低成本、提升用戶體驗，并滿足監(jiān)管要求。

接下來我們以實際測試案例了解NGM202對智能門鎖功耗測試詳情。

相比于傳統(tǒng)智能門鎖在6V，3A供電的情況下進行功耗測試，本例中客戶的產(chǎn)品由于支持更多的功能，也采用了功耗更大的電機，以驅(qū)動使門鎖在開門和鎖門時更加流暢可靠，采用了8V，4A的規(guī)格，無疑對測試測量儀器要求也進一提高，尤其是要求提供更大的電流、電壓量程。

為了滿足客戶此款產(chǎn)品的測試要求，我們使用NGM202電源應(yīng)對客戶供電以及功耗的測量。

NGM202擁有雙通道，除了本身兩個通道可以獨立使用外，還可以根據(jù)需要進行通道間的串聯(lián)(增壓)和并聯(lián)(增流)，對電流、電壓的量程進行必要的擴展。連接圖如下：

將NGM202的CH1和CH2通道進行串聯(lián)后，電壓輸出達到了12V，電流輸出最大可以到6A，滿足了客戶的8V，4A的測試需求。

實際連接如圖：

圖中使用NMG202兩通道串聯(lián)方式進行測試。

通過上位機軟件 (R&S Power Consumption Analysis Tool) 進行功耗測試，軟件界面顯示如下：

接下來，通過上位機軟件 (R&S Power Consumption Analysis Tool) 記錄并分析門鎖在啟動，電機堵轉(zhuǎn)，以及實現(xiàn)門鎖開啟的過程中的功耗細節(jié)。

記錄產(chǎn)品連續(xù)運行長時間的電流波形，可以看到由于電機運行進行開鎖時電流高達3.27A。

當(dāng)展開電流波形，觀察兩個脈沖間的最小電流消耗。如圖可以觀察到兩個光標(biāo)間的最小電流值約為72uA，以及光標(biāo)區(qū)間中的能耗(2.972918uAs)。

如下截圖是待機過程中電流最小值的查看(最小6.5uA)。

本研究利用NGM202測試設(shè)備以及R&S Power Consumption Analysis Tool軟件，對智能門鎖在不同工作狀態(tài)下的電流、電壓和功耗進行了詳細的記錄和分析。通過監(jiān)測智能門鎖在不同功能轉(zhuǎn)換階段以及長時間待機狀態(tài)下的電流消耗特性，我們能夠?qū)﹄姵剡x型和產(chǎn)品的整體功耗進行有效的確認與優(yōu)化。該測試配置不僅對用戶友好，而且具有較高的成本效益比。

“彩蛋”——電池模擬

R&SNGM200 電源還可用于模擬（可充電）電池。在這種模式下，電源行為類似于預(yù)先定義的電池（見圖）。電池參數(shù)可以在電源上方便地進行編輯。電源預(yù)安裝了多種標(biāo)準(zhǔn)電池類型，以便進行測試。由于 R&SNGM200 電源能夠提供和吸收電能，因此可以模擬給可充電電池放電和充電。雙通道 R&SNGM202 是市面上率先支持兩類獨立定義的（可充電）電池的電源型號，例如兩個串聯(lián)的充電電池和放電電池。

電池模擬

羅德與施瓦茨是您可靠的物聯(lián)網(wǎng)測試合作伙伴，可助您了解測試需求和裝置，以及執(zhí)行所有必需測試與測量，以便確保您的 IoT 產(chǎn)品應(yīng)用具備所需質(zhì)量和性能，并盡快將其推向市場。
關(guān)注羅德與施瓦茨，接下來有更多精彩的測試測量主題。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。