超低功耗传感器方案如何赋能智能、安全联接的楼宇

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作者：Pavan Mulabagal

安森美半导体物联网(IoT)策略及营销总监

如今，支持物联网(IoT)的基础设施已非常完善，远超前所未见的服务器和数据中心的范围，直达我们的家居、办公室和工厂。

在边缘的是传感器，以可行的方式采集数据并将其中继回云服务，或在本地进行处理。

这些传感器是使楼宇更智能所不可或缺的，提供一种无需干预的方法来控制环境。

这样做的主要动力是便利性和经济性。当最后一个人离开房间时，自主楼宇永远不会忘记关灯。

最初是一种相对简单的控制系统，例如，用占用检测和温度测量来设置供暖和照明水平，这种技术已经成熟。

从用户的角度来看，就像楼宇变得越来越智能一样，赋能楼宇的系统也变得越来越智能。

人工智能(AI)的使用最终将无需人去规划智能楼宇时间表。

用于检测大面积总体占用情况的简单传感器将被更精密的图像传感器所取代，这些图像传感器可以识别个体并提供更个性化的控制方式。

匿名运动检测器将为可以识别个人面部、手势甚至情绪的成像系统铺平道路。

智能音箱或虚拟助手实现的音频控制是迅速普及的另一个重要功能。

随着楼宇变得越来越智能，它们的功能将扩展以提供更个性化的体验，包括访问控制和其他安全功能。

这不止于在房间空着时关灯以进行能量优化，还包括仅允许授权人员进入房间，在进入房间时自动清理人员以访问安全网络，甚至帮助查找物品。

智能楼宇将带来智能能源

今天，设施管理的两个方面约占能源消耗的40％-照明和供暖。使用占用检测和环境光水平来调整人工照明水平的概念已超出了互联网。

尽管这历史久远，但互联照明的采用占优势，并完全由现在支持和推进IoT的技术所赋能。

一个关键要素是通信。

无线网状网络的出现使把智能照明配件联接在一起更简单和可靠。

以太网供电(PoE)技术的不断发展，及采用LED技术实现的极大节能，使得现在可以使用单根低压以太网电缆进行供电和联接，从而无需聘用电工来安装互联照明。

现在，这些仅作为灯具的联接端子越来越多。它们构成了智能楼宇网络不可或缺的一部分，如每个灯具都可以高效地充当室内导航的信标。

为灯具添加其他功能如占用检测、资产跟踪、环境监控也变得更简单。

所有这些功能都由多个传感器赋能，这些传感器现在可以集成到单个联接的设备中。

当然，像这样的发展将使楼宇能够为居住者提供更多的便利，但是最终最大的益处将是以更智能的方式节能。

打造更智能的楼宇

智能楼宇系统的拓扑将取决于传感器和执行器，如图1所示。

图1：智能楼宇系统示例拓扑

系统核心的微控制器或数字信号处理器(DSP)将负责协调现有的众多传感器和执行器。

除了用于开关灯的机电式或固态继电器外，这将包括用于占用检测、环境监控和访问控制的那些器件，而现有的执行器可能包括有刷或无刷直流(DC)电机以开关门窗。

使用某种形式的功率调制如脉宽调制(PWM)可以实现可变的照明水平，MCU/DSP可很好地执行。

联接将是有线和无线的组合，在这方面，可能使用的协议越来越多，一些协议支持互联网使用的相同协议，因此可以直接访问，其他协议则需要网关。

我们现在也进入了超低功耗系统领域，可以想象到，其中MCU、传感器和执行器都可由从环境中收集的能量如光或热来供电。这为虚拟的自我维持控制系统创造了潜力。

在开发智能楼宇基础设施的通信网络时，要考虑的重要因素包括范围、功率和延迟。

这每个因素的权重将取决于实际应用，但是，进入黑暗的房间和亮灯之间的任何明显的等待时间对于居住者来说都是非常明显的。 这是为何低延迟很重要的一个例子。

通常，本地处理将比仅依靠云处理资源做出本地决策提供更低的延迟。

如果某个传感器能够确定何时有人进入房间以保证增加的光照水平，那么它将带来整体上更好的用户体验。

图2：开发智能楼宇通信基础设施时要考虑的主要因素

图2说明了这些因素如何影响有线/无线技术的选择。

实施简单而强固的网状网络（图3），可以构建包括灯具，风扇和其他资产的联网设备的小网络。

网状网络不仅提供了一种扩展网络的方式，其范围远远超出了单个节点的范围，它还构建冗余性到网络中，从而允许使用联接的节点的任意组合在网络中传递消息。

这就是说，如果局部干扰阻塞使用一个灯具作为路标的消息，则网络将自动将其重新路由。因此，现在大多数无线协议都采用网状网络。

图3：网状网络扩展网络并提供路由冗余

多传感器平台交付更多

随着技术的进步，将多个传感器集成到一个平台中变得越来越可行，从而为关联资产创造更大的价值，尤其是在主要价值由其主要功能定义的情况下。

以灯具为例。

它的主要功能是照明，但是正如所讨论的，它简直就是一个理想的传感器节点，用于捕获大量数据。

将多个传感器放入一个资产中，该资产的价值将大增。

它成为智能楼宇基础设施的关键部分，但外观和行为却像普通的灯具。

传感器的物理尺寸小和功耗超低特性，使小外形的PCB可轻易容纳多个传感器，以监测占用、温度、湿度、空气质量等。

使用超低功耗通信器件如RSL10蓝牙低功耗无线电，该多传感器平台可由单个纽扣电池供电运行数年（图4）。

图4：多传感器平台由RSL10系统级封装(RSL10 SIP)赋能的示例

而且现在甚至可以完全省去电池，并利用从环境中采集的能量为多传感器互联平台供电（图5）。

图5：能量采集技术现可为智能传感器和执行器提供主要能源

这使得智能传感器几乎可以放置在楼宇中的任何位置。

例如，

相对小且不引人注目的太阳能电池可用于从人工照明中采集足够的能量来为多传感器平台供电，以定期将数据发送回网关。

总结

高能效将是智能楼宇持续发展的基础，要实现高能效，就要使楼宇更节能以实现更低的能耗，并提供采用先进技术的低功耗方案。

在整个技术堆栈中，节能将是关键，从一直使用的传感器一直到被访问的云服务。

随着部署的传感器数量增加，我们对楼宇的公用设施应用进行控制的粒度也随之增加，从而促进高能效的循环。

但这在很大程度上取决于传感器、处理器和联接技术的不断提高的能效。

随着数量的增加，甚至可能有必要不依赖能源，使用能量采集技术以自供电。

安森美半导体正开拓超低功耗传感和联接技术，如高度集成的蓝牙5方案RSL10。

辅以智能音频处理和成像系统，安森美半导体始终致力于提供更高能效和更智能的方案。

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