超低功耗傳感器方案如何賦能智能、安全聯(lián)接的樓宇

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作者：Pavan Mulabagal

安森美半導(dǎo)體物聯(lián)網(wǎng)(IoT)策略及營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)

如今，支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的基礎(chǔ)設(shè)施已非常完善，遠(yuǎn)超前所未見(jiàn)的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的范圍，直達(dá)我們的家居、辦公室和工廠。

在邊緣的是傳感器，以可行的方式采集數(shù)據(jù)并將其中繼回云服務(wù)，或在本地進(jìn)行處理。

這些傳感器是使樓宇更智能所不可或缺的，提供一種無(wú)需干預(yù)的方法來(lái)控制環(huán)境。

這樣做的主要?jiǎng)恿κ潜憷院徒?jīng)濟(jì)性。當(dāng)最后一個(gè)人離開(kāi)房間時(shí)，自主樓宇永遠(yuǎn)不會(huì)忘記關(guān)燈。

最初是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，例如，用占用檢測(cè)和溫度測(cè)量來(lái)設(shè)置供暖和照明水平，這種技術(shù)已經(jīng)成熟。

從用戶(hù)的角度來(lái)看，就像樓宇變得越來(lái)越智能一樣，賦能樓宇的系統(tǒng)也變得越來(lái)越智能。

人工智能(AI)的使用最終將無(wú)需人去規(guī)劃智能樓宇時(shí)間表。

用于檢測(cè)大面積總體占用情況的簡(jiǎn)單傳感器將被更精密的圖像傳感器所取代，這些圖像傳感器可以識(shí)別個(gè)體并提供更個(gè)性化的控制方式。

匿名運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器將為可以識(shí)別個(gè)人面部、手勢(shì)甚至情緒的成像系統(tǒng)鋪平道路。

智能音箱或虛擬助手實(shí)現(xiàn)的音頻控制是迅速普及的另一個(gè)重要功能。

隨著樓宇變得越來(lái)越智能，它們的功能將擴(kuò)展以提供更個(gè)性化的體驗(yàn)，包括訪問(wèn)控制和其他安全功能。

這不止于在房間空著時(shí)關(guān)燈以進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，還包括僅允許授權(quán)人員進(jìn)入房間，在進(jìn)入房間時(shí)自動(dòng)清理人員以訪問(wèn)安全網(wǎng)絡(luò)，甚至幫助查找物品。

智能樓宇將帶來(lái)智能能源

今天，設(shè)施管理的兩個(gè)方面約占能源消耗的40％-照明和供暖。使用占用檢測(cè)和環(huán)境光水平來(lái)調(diào)整人工照明水平的概念已超出了互聯(lián)網(wǎng)。

盡管這歷史久遠(yuǎn)，但互聯(lián)照明的采用占優(yōu)勢(shì)，并完全由現(xiàn)在支持和推進(jìn)IoT的技術(shù)所賦能。

一個(gè)關(guān)鍵要素是通信。

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使把智能照明配件聯(lián)接在一起更簡(jiǎn)單和可靠。

以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)的不斷發(fā)展，及采用LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)的極大節(jié)能，使得現(xiàn)在可以使用單根低壓以太網(wǎng)電纜進(jìn)行供電和聯(lián)接，從而無(wú)需聘用電工來(lái)安裝互聯(lián)照明。

現(xiàn)在，這些僅作為燈具的聯(lián)接端子越來(lái)越多。它們構(gòu)成了智能樓宇網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分，如每個(gè)燈具都可以高效地充當(dāng)室內(nèi)導(dǎo)航的信標(biāo)。

為燈具添加其他功能如占用檢測(cè)、資產(chǎn)跟蹤、環(huán)境監(jiān)控也變得更簡(jiǎn)單。

所有這些功能都由多個(gè)傳感器賦能，這些傳感器現(xiàn)在可以集成到單個(gè)聯(lián)接的設(shè)備中。

當(dāng)然，像這樣的發(fā)展將使樓宇能夠?yàn)榫幼≌咛峁└嗟谋憷亲罱K最大的益處將是以更智能的方式節(jié)能。

打造更智能的樓宇

智能樓宇系統(tǒng)的拓?fù)鋵⑷Q于傳感器和執(zhí)行器，如圖1所示。

圖1：智能樓宇系統(tǒng)示例拓?fù)?br>

系統(tǒng)核心的微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)現(xiàn)有的眾多傳感器和執(zhí)行器。

除了用于開(kāi)關(guān)燈的機(jī)電式或固態(tài)繼電器外，這將包括用于占用檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)控和訪問(wèn)控制的那些器件，而現(xiàn)有的執(zhí)行器可能包括有刷或無(wú)刷直流(DC)電機(jī)以開(kāi)關(guān)門(mén)窗。

使用某種形式的功率調(diào)制如脈寬調(diào)制(PWM)可以實(shí)現(xiàn)可變的照明水平，MCU/DSP可很好地執(zhí)行。

聯(lián)接將是有線和無(wú)線的組合，在這方面，可能使用的協(xié)議越來(lái)越多，一些協(xié)議支持互聯(lián)網(wǎng)使用的相同協(xié)議，因此可以直接訪問(wèn)，其他協(xié)議則需要網(wǎng)關(guān)。

我們現(xiàn)在也進(jìn)入了超低功耗系統(tǒng)領(lǐng)域，可以想象到，其中MCU、傳感器和執(zhí)行器都可由從環(huán)境中收集的能量如光或熱來(lái)供電。這為虛擬的自我維持控制系統(tǒng)創(chuàng)造了潛力。

在開(kāi)發(fā)智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要考慮的重要因素包括范圍、功率和延遲。

這每個(gè)因素的權(quán)重將取決于實(shí)際應(yīng)用，但是，進(jìn)入黑暗的房間和亮燈之間的任何明顯的等待時(shí)間對(duì)于居住者來(lái)說(shuō)都是非常明顯的。 這是為何低延遲很重要的一個(gè)例子。

通常，本地處理將比僅依靠云處理資源做出本地決策提供更低的延遲。

如果某個(gè)傳感器能夠確定何時(shí)有人進(jìn)入房間以保證增加的光照水平，那么它將帶來(lái)整體上更好的用戶(hù)體驗(yàn)。

圖2：開(kāi)發(fā)智能樓宇通信基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)要考慮的主要因素

圖2說(shuō)明了這些因素如何影響有線/無(wú)線技術(shù)的選擇。

實(shí)施簡(jiǎn)單而強(qiáng)固的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（圖3），可以構(gòu)建包括燈具，風(fēng)扇和其他資產(chǎn)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不僅提供了一種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的方式，其范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍，它還構(gòu)建冗余性到網(wǎng)絡(luò)中，從而允許使用聯(lián)接的節(jié)點(diǎn)的任意組合在網(wǎng)絡(luò)中傳遞消息。

這就是說(shuō)，如果局部干擾阻塞使用一個(gè)燈具作為路標(biāo)的消息，則網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)將其重新路由。因此，現(xiàn)在大多數(shù)無(wú)線協(xié)議都采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)并提供路由冗余

多傳感器平臺(tái)交付更多

隨著技術(shù)的進(jìn)步，將多個(gè)傳感器集成到一個(gè)平臺(tái)中變得越來(lái)越可行，從而為關(guān)聯(lián)資產(chǎn)創(chuàng)造更大的價(jià)值，尤其是在主要價(jià)值由其主要功能定義的情況下。

以燈具為例。

它的主要功能是照明，但是正如所討論的，它簡(jiǎn)直就是一個(gè)理想的傳感器節(jié)點(diǎn)，用于捕獲大量數(shù)據(jù)。

將多個(gè)傳感器放入一個(gè)資產(chǎn)中，該資產(chǎn)的價(jià)值將大增。

它成為智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部分，但外觀和行為卻像普通的燈具。

傳感器的物理尺寸小和功耗超低特性，使小外形的PCB可輕易容納多個(gè)傳感器，以監(jiān)測(cè)占用、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等。

使用超低功耗通信器件如RSL10藍(lán)牙低功耗無(wú)線電，該多傳感器平臺(tái)可由單個(gè)紐扣電池供電運(yùn)行數(shù)年（圖4）。

圖4：多傳感器平臺(tái)由RSL10系統(tǒng)級(jí)封裝(RSL10 SIP)賦能的示例

而且現(xiàn)在甚至可以完全省去電池，并利用從環(huán)境中采集的能量為多傳感器互聯(lián)平臺(tái)供電（圖5）。

圖5：能量采集技術(shù)現(xiàn)可為智能傳感器和執(zhí)行器提供主要能源

這使得智能傳感器幾乎可以放置在樓宇中的任何位置。

例如，

相對(duì)小且不引人注目的太陽(yáng)能電池可用于從人工照明中采集足夠的能量來(lái)為多傳感器平臺(tái)供電，以定期將數(shù)據(jù)發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。

總結(jié)

高能效將是智能樓宇持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)高能效，就要使樓宇更節(jié)能以實(shí)現(xiàn)更低的能耗，并提供采用先進(jìn)技術(shù)的低功耗方案。

在整個(gè)技術(shù)堆棧中，節(jié)能將是關(guān)鍵，從一直使用的傳感器一直到被訪問(wèn)的云服務(wù)。

隨著部署的傳感器數(shù)量增加，我們對(duì)樓宇的公用設(shè)施應(yīng)用進(jìn)行控制的粒度也隨之增加，從而促進(jìn)高能效的循環(huán)。

但這在很大程度上取決于傳感器、處理器和聯(lián)接技術(shù)的不斷提高的能效。

隨著數(shù)量的增加，甚至可能有必要不依賴(lài)能源，使用能量采集技術(shù)以自供電。

安森美半導(dǎo)體正開(kāi)拓超低功耗傳感和聯(lián)接技術(shù)，如高度集成的藍(lán)牙5方案RSL10。

輔以智能音頻處理和成像系統(tǒng)，安森美半導(dǎo)體始終致力于提供更高能效和更智能的方案。

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