超低功耗傳感器方案如何賦能智能樓宇

當(dāng)今，物聯(lián)網(wǎng)（loT）的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)非常完善，其適用范圍已經(jīng)不局限于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心，廣泛使用在我們的家居、辦公和工廠。

處于物聯(lián)網(wǎng)最外圍的是傳感器，它會將數(shù)據(jù)采集起來并中繼回云服務(wù)或者在本地進行數(shù)據(jù)處理。傳感器是樓宇智能不可缺少的一環(huán)，它可以在無人控制的情況下監(jiān)測控制環(huán)境，帶來非凡的便利性和經(jīng)濟性，這樣當(dāng)最后一個人離開房間時，智能的樓宇也不會忘記關(guān)燈。

傳感器的原型是一種相對簡單的控制系統(tǒng)，比如通過占用檢測和溫度測量來控制供暖和照明，如今該技術(shù)已發(fā)展成熟。對于用戶而言，樓宇變得愈加智能，背后其實是其系統(tǒng)智能水平得以提升。

人工智能（AI）的運用最終將無需人工去規(guī)劃智能樓宇運營時間表。用于檢測大面積總體占用情況的簡單傳感器將會被更精密的圖像傳感器所取代，這些圖像傳感器可以識別個體并提供更個性化的控制方式。運動檢測器將為能夠識別個人面部、手勢甚至情緒的成像系統(tǒng)鋪平道路。智能音箱或虛擬助手所實現(xiàn)的音頻控制也為其迅速普及提供了重要幫助。

隨著樓宇變得越來越智能化，它們的功能也將擴展，從而為用戶提供更個性化的體驗，如訪問控制和其他安全功能。這不單純是在房間空著時關(guān)燈實現(xiàn)節(jié)能，還包括僅允許授權(quán)人員進入房間，自動為個人網(wǎng)絡(luò)訪問肅清不安全因素，確保室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全，甚至幫助查找物品。

圖1 智能樓宇系統(tǒng)拓撲示例

智能樓宇將帶來智能節(jié)能

照明和供暖占目前整體能源消耗的40%。使用占用檢測和根據(jù)環(huán)境光微弱來調(diào)整照明水平的做法在如今的互聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)過時?；ヂ?lián)照明的采用更具優(yōu)勢，并完全由現(xiàn)在支持和推進IoT發(fā)展的技術(shù)所賦能。

通信是其中的一大關(guān)鍵要素。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)簡化了智能照明配件的聯(lián)接，提升了其可靠性。隨著以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)的不斷成熟，加之LED技術(shù)可極大節(jié)省能源，此后無需專門聘請電工前來安裝，使用單根低壓以太網(wǎng)電纜便可實現(xiàn)照明設(shè)備的供電和聯(lián)接。

如今，這些作為燈具的聯(lián)接端子越來越多。它們構(gòu)成了智能樓宇網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。例如，每個燈具都可高效地充當(dāng)室內(nèi)導(dǎo)航的信標。為燈具添加其他功能如占用檢測、資產(chǎn)跟蹤、環(huán)境監(jiān)控也變得更加簡單。所有這些功能均可由集成在單個聯(lián)接設(shè)備中的多個傳感器實現(xiàn)。

正是諸如此類技術(shù)的發(fā)展，樓宇將能夠為居住者提供更多的便利，但其最終帶來最大的益處將是以更智能的方式節(jié)能。

圖2 開發(fā)智能樓宇通信基礎(chǔ)設(shè)施時要考慮的主要因素

打造更智能的樓宇

智能樓宇系統(tǒng)的拓撲將取決于傳感器和執(zhí)行器，如圖1所示。

位于系統(tǒng)核心的微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）將負責(zé)協(xié)調(diào)現(xiàn)有的眾多傳感器和執(zhí)行器。除了用于開關(guān)燈的機電式或固態(tài)繼電器外，這將包括用于占用檢測、環(huán)境監(jiān)控和訪問控制的傳感器，而現(xiàn)有的執(zhí)行器可能包括有刷或無刷直流（DC）電機以開關(guān)門窗。使用某種形式的功率調(diào)制如脈寬調(diào)制（PWM）可以實現(xiàn)可變的照明水平，MCU/DSP就可以很好地執(zhí)行。聯(lián)接將是有線和無線的組合，因此，可能使用的協(xié)議越來越多。其中，一些協(xié)議支持互聯(lián)網(wǎng)使用的相同協(xié)議，因而可以直接訪問，其他協(xié)議則需要網(wǎng)關(guān)。

超低功耗系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)進入視野?？梢韵胂螅渲蠱CU、傳感器和執(zhí)行器都可由從環(huán)境中收集的能量來供電，比如光或熱，因而為虛擬的自我維持控制系統(tǒng)創(chuàng)造了發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在開發(fā)智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的通信網(wǎng)絡(luò)時，需要著重考慮范圍、功率和延遲這三大因素，而各因素的權(quán)重則取決于實際應(yīng)用。例如，進入黑暗的房間和亮燈之間的任何等待時長的差別對于居住者來說都是非常明顯的。在這個場景中，低延遲就很重要。

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。若某個傳感器可自行確定何時有人進入房間，并增加照明度，那么它可在整體提升用戶體驗。

圖2說明了這些因素是如何影響有線/無線技術(shù)的選擇。實施簡單而強固的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（圖3），可以構(gòu)建包括燈具、風(fēng)扇等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成的小型網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不僅提供范圍遠超單個節(jié)點的擴展網(wǎng)絡(luò)的方式，還將冗余性構(gòu)建到網(wǎng)絡(luò)中，從而允許通過聯(lián)接節(jié)點的任意組合在網(wǎng)絡(luò)中傳遞消息。這意味著，如果受到局部干擾，燈具無法作為路標傳遞消息時，網(wǎng)絡(luò)則將自動將其重新路由。因此，現(xiàn)在大多數(shù)無線協(xié)議都采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

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

多傳感器平臺交付更多

隨著技術(shù)的進步，將多個傳感器集成到一個平臺中的可行性愈發(fā)增長，從而為聯(lián)接資產(chǎn)創(chuàng)造更大的價值，尤其是在主要價值由其主要功能定義的情況下。以燈具為例，其主要功能是照明，但同時它也是可用于捕捉大量數(shù)據(jù)的理想傳感器節(jié)點。

將多個傳感器集成至一個設(shè)備中，其價值將會實現(xiàn)大幅提升。看似普通的燈具卻可成為智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部分。傳感器的小尺寸和超低功耗特性，使小外形的PCB可輕松容納多個傳感器，以監(jiān)測占用、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等。使用超低功耗通信器件如RSL10 藍牙低功耗無線電，該多傳感器平臺可由單個紐扣電池供電運行數(shù)年（圖4）。

圖4 多傳感器平臺由RSL10系統(tǒng)級封裝（RSL10 SIP）賦能的示例

此外，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)平臺供電（圖5）。

因此，智能傳感器幾乎可以放置在樓宇中的任何位置。例如，相對小巧且不引人注目的太陽能電池可用于從人工照明中采集足夠的能量來為多傳感器平臺供電，并將數(shù)據(jù)定期發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。

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

總結(jié)

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

在整個技術(shù)堆棧中，從使用傳感器到云服務(wù)訪問，節(jié)能將是關(guān)鍵。隨著傳感器部署數(shù)量的增加，對樓宇公用設(shè)施應(yīng)用進行控制的粒度也隨之提升，從而可促進高能效的循環(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)的能效。隨著數(shù)量的增加，不依賴能源使用能量采集技術(shù)以實現(xiàn)自供電，未來可能成為必要技術(shù)。

安森美半導(dǎo)體正開拓超低功耗傳感和聯(lián)接技術(shù)，如高度集成的藍牙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。