如何改變依賴傳感器系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方式

消除化石燃料的努力令人聯(lián)想到逆流而上的鮭魚。 太陽能板、充電控制器和電池等成本過高之類經(jīng)濟(jì)原因，打消了許多人使用離網(wǎng)能源或至少盡量降低其碳足跡的念頭。 但是，技術(shù)的進(jìn)步可能不久后就會消除這種障礙。 例如，通過使用并網(wǎng)逆變器，太陽能板可以讓電能重新回到電網(wǎng)，而無需使用電池、充電控制器或?qū)υO(shè)施重新布線。 此外，隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的出現(xiàn)，您可以在世界上任何地方監(jiān)控太陽能板的性能。

本文將探討物聯(lián)網(wǎng)將如何改變傳感器和依賴傳感器的系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方式。 通過部署并共享低成本、分布式傳感器，可讓物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制層次，并可使之成為提升能效的社會解決方案的一部分。

云連接

無數(shù)年來，能源生產(chǎn)商和分銷商都一直采用封閉的系統(tǒng)獲取狀態(tài)并進(jìn)行控制。 通過專用無線鏈路、電話線或設(shè)施間布線實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)中樞以及遠(yuǎn)程配電站或檢測站也是封閉的系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。 從積極一面來看，任何篡改和黑客攻擊都必須在本地完成，即以物理方式攻入或中斷復(fù)雜布線或通信鏈路。

但是，物聯(lián)網(wǎng)和云連接將很快改變這種狀況。 石油、液化氣和天然氣精煉廠、存儲設(shè)施、傳輸系統(tǒng)和配電站（及其安全監(jiān)控功能）正全部遷移為通過云類型環(huán)境實(shí)現(xiàn)的全連接形式。 類似地，居家云系統(tǒng)可提供遙控等優(yōu)勢。 在這里，通過使用智能電話或平板電腦，可以訪問關(guān)鍵的家庭或設(shè)施系統(tǒng)，以讀取傳感器信息、節(jié)省能源、做使用準(zhǔn)備或在不需要時關(guān)閉服務(wù)。

最值得注意的示例是遙控恒溫器。 連接到微控制器和通信網(wǎng)絡(luò)的簡單溫度傳感器，有助于降低加熱和空調(diào)（屬于最耗電的居家系統(tǒng)）所消耗的能源。

雖然學(xué)習(xí)算法可嘗試預(yù)計設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)更自主的操作，但也要到可從任何地方控制溫度時才可以獲得真正的益處。 例如，學(xué)習(xí)獲得的特性可能指明，在此工作日的這個時候，在使用情況下預(yù)計溫度應(yīng)從 10 攝氏度升至 21攝氏度；但是，如果您知道自己到時候不在場，則使用一個簡單的強(qiáng)制命令即可將溫度設(shè)在 10攝氏度，一晚上節(jié)省的電能可供您家中所有的熒光燈使用一天還多。

設(shè)計解決方案示例

物聯(lián)網(wǎng)式連接的最大優(yōu)勢之一是，能夠連接冗余或非類似傳感器和系統(tǒng)以共享功能。 例如，安防系統(tǒng)可能使用熱電紅外傳感器 (PIR) 和/或基于微波的運(yùn)動檢測器，在檢測到運(yùn)動時觸發(fā)警報。 通常，報警系統(tǒng)為一個閉環(huán)并且本身就是一個“孤島”（圖 1）。

圖 1： 獨(dú)立系統(tǒng)提供的功能有限，并且通常帶來冗余硬件產(chǎn)生的額外成本負(fù)擔(dān)。

但是，如果可通過與主要功能完全不同的其他系統(tǒng)連接來共享關(guān)鍵傳感器，則可在不犧牲性能或功能的情況下實(shí)現(xiàn)更高級別的自主操作和節(jié)能。 兩個（或以上）獨(dú)立系統(tǒng)可共享一個傳感器，以消除冗余并降低成本。 例如，我們來看看一個允許單個傳感器與其它系統(tǒng)共享功能的系統(tǒng)（圖 2）。

圖 2：非相關(guān)系統(tǒng)之間的連接提供了以前任何系統(tǒng)皆無法實(shí)現(xiàn)的新功能層級。 這改變了物聯(lián)網(wǎng)分布式傳感器和控制設(shè)計的架構(gòu)方法。

在我們的示例中，安全燈的動作不再由自己的運(yùn)動檢測器驅(qū)動和控制， 而是由微控制器來進(jìn)行監(jiān)控。 泛光燈的開/關(guān)鏈路不再只是開和關(guān)。 這些燈受基于微控制器的調(diào)光器驅(qū)動。

人工智能式算法編程技術(shù)將此解決方案的功能關(guān)聯(lián)在一起。 作為較高層次感知的一部分，該設(shè)施能夠“知道”某些情況。 它知道是白天還是晚上。 它知道環(huán)境是明還是暗。 它知道房間是有人還是沒人。 其他兩種狀態(tài)也很重要：房屋知道自身是否處于安全模式（即，是否已配備警報），并且知道人是醒著還是睡著的。

安全燈可耗用 150 瓦，并不意味著就必須使用這么多能源。 例如，在 30% 的燈光強(qiáng)度下工作，燈光仍足以照明區(qū)域，可確保安全。 如果在安全模式下切換至 60% 的燈光強(qiáng)度，會讓潛在入侵者知道他們已被檢測到。 系統(tǒng)還可將報警系統(tǒng)置于加強(qiáng)狀態(tài)，并可將視頻 DVR 打開一段時間。 共享傳感器數(shù)據(jù)允許累積節(jié)能并能增強(qiáng)其它系統(tǒng)的性能。

這在涉及物聯(lián)網(wǎng)和云連接時很重要。 它讓系統(tǒng)可以在較高層次“思考”，并且只在有真正需要解決的問題時才打斷您。 這種方法還讓居民可以在較高層次與其環(huán)境交互，同時讓封裝技術(shù)降低總體能耗需求。

值得注意的是，傳感器數(shù)據(jù)可以比直觀預(yù)期具有更高優(yōu)先級。 例如，只因?yàn)榇髽菑木幊痰陌滋?夜晚算法中知道日出和日落時間，并不意味著它會使用該數(shù)據(jù)來最高效地節(jié)能。 而使用環(huán)境光傳感器（比如 Avago APDS-9008-020）可更精確選擇暗度閾值，以便在真正需要時才開燈。 在與 PIR 前置放大器（如 ROHM BD9251FV-E2）和 PIR 控制器芯片（如 ON Semiconductor NCS36000DRG）搭配使用時，幾乎任何一種低成本 RF 微控制器（如 TI 的 CC3200R1M1RGCR）都可以為下一代基于物聯(lián)網(wǎng)的能量管理傳感器提供理想的解決方案。

就像工廠那樣，住宅和公寓有一天也會提供激勵用電政策，以避免用電超過需求負(fù)荷峰值。 因?yàn)榭蛻糌?fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)時負(fù)荷控制，如此一來，生產(chǎn)和配送電力的供電公司可以更好地預(yù)測負(fù)荷；當(dāng)工業(yè)設(shè)施、市政建筑或者住宅在任何時間點(diǎn)使用比預(yù)定閾值更多的電力時，電力價格就會增加。

借助獲取實(shí)時電流消耗這類關(guān)鍵信息的能力，控制系統(tǒng)可切換負(fù)荷，并與其它系統(tǒng)配合使用，在不犧牲服務(wù)或性能的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 如果本文所述，設(shè)計方法、傳感器和通信技術(shù)均已成熟，可供工程師隨時使用。