物聯網正在改變基于傳感器的系統的設計與實現方式

寂靜天花板

無數年來，能源生產商和分銷商都一直采用封閉的系統獲取狀態并進行控制。 通過專用無線鏈路、電話線或設施間布線實現的神經中樞以及遠程配電站或檢測站也是封閉的系統或網絡。 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雜布線或通信鏈路。
& ~# q5 Y7 s4 o9 Q9 K
: I% H3 e: w4 X, B7 Y- a但是，物聯網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、存儲設施、傳輸系統和配電站（及其安全監控功能）正全部遷移為通過云類型環境實現的全連接形式。 類似地，居家云系統可提供遙控等優勢。 在這里，通過使用智能電話或平板電腦，可以訪問關鍵的家庭或設施系統，以讀取傳感器信息、節省能源、做使用準備或在不需要時關閉服務。
4 m0 d, d* D3 T. a
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絡的簡單溫度傳感器，有助于降低加熱和空調（屬于最耗電的居家系統）所消耗的能源。
: @, f# E; Q" `' o' \
雖然學習算法可嘗試預計設置，以實現更自主的操作，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，學習獲得的特性可能指明，在此工作日的這個時候，在使用情況下預計溫度應從 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制命令即可將溫度設在 10 攝氏度，一晚上節省的電能可供您家中所有的熒光燈使用一天還多。
; \. R( ~$ G- C* b6 {物聯網式連接的最大優勢之一是，能夠連接冗余或非類似傳感器和系統以共享功能。 例如，安防系統可能使用熱電紅外傳感器 (PIR) 和/或基于微波的運動檢測器，在檢測到運動時觸發警報。 通常，報警系統為一個閉環并且本身就是一個“孤島”（圖 1）。

/ t4 l% l' W( G+ b  p
' G" S+ V: _; b0 T- H: i圖 1： 獨立系統提供的功能有限，并且通常帶來冗余硬件產生的額外成本負擔。

+ H# z2 z  [! v7 {  l9 S但是，如果可通過與主要功能完全不同的其他系統連接來共享關鍵傳感器，則可在不犧牲性能或功能的情況下實現更高級別的自主操作和節能。 兩個（或以上）獨立系統可共享一個傳感器，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共享功能的系統（圖 2）。

. S4 F+ z+ X2 G( m
" x* Q7 _5 v3 d6 E圖 2：非相關系統之間的連接提供了以前任何系統皆無法實現的新功能層級。 這改變了物聯網分布式傳感器和控制設計的架構方法。
( J$ y8 G/ q& y% Q
在我們的示例中，安全燈的動作不再由自己的運動檢測器驅動和控制， 而是由微控制器來進行監控。 泛光燈的開/關鏈路不再只是開和關。 這些燈受基于微控制器的調光器驅動。
; R, J1 w, L+ f' q7 d( r/ n7 R
5 v! Q* K5 L6 U" D6 ~2 R( \人工智能式算法編程技術將此解決方案的功能關聯在一起。 作為較高層次感知的一部分，該設施能夠“知道”某些情況。 它知道是白天還是晚上。 它知道環境是明還是暗。 它知道房間是有人還是沒人。 其他兩種狀態也很重要：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。
/ t$ T* Y" l& \: V+ F0 T
  L7 m9 V! b: D( x類似于真值表的問題解決方法可確定采取什么措施（圖 3）。 這可防止在白天低效地消耗能源；但它還可以其他方式節能。

+ T( }1 D) X" y$ n+ r$ B1 r所有感知狀態

& S+ t( t# X& s' t0 Q5 @* k" ]  w
圖 3：就像邏輯設計問題那樣，共享及分布式傳感器陣列的多輸出解決方案可簡化為類似真值表功能。 系統可從編程算法中知道白天和夜晚時間，因此基于規則的判斷可能不需要特定的白天或晚上信息就可正確執行。
& i# ^/ }/ V- h* k/ f( h& r$ C
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% 的燈光強度下工作，燈光仍足以照明區域，可確保安全。 如果在安全模式下切換至 60% 的燈光強度，會讓潛在入侵者知道他們已被檢測到。 系統還可將報警系統置于加強狀態，并可將視頻 DVR 打開一段時間。 共享傳感器數據允許累積節能并能增強其它系統的性能。

這在涉及物聯網和云連接時很重要。 它讓系統可以在較高層次“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境交互，同時讓封裝技術降低總體能耗需求。
0 c# v6 d# }1 A6 C9 Z! I* [
值得注意的是，傳感器數據可以比直觀預期具有更高優先級。 例如，只因為大樓從編程的白天/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據來最高效地節能。 而使用環境光傳感器（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網的能量管理傳感器提供理想的解決方案。
8 O/ p$ P& [5 }
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荷峰值。 因為客戶負責進行實時負荷控制，如此一來，生產和配送電力的供電公司可以更好地預測負荷；當工業設施、市政建筑或者住宅在任何時間點使用比預定閾值更多的電力時，電力價格就會增加。
/ H( o' C2 \; |; T; ~. s; D! D
) P% p: W8 S* t& f借助獲取實時電流消耗這類關鍵信息的能力，控制系統可切換負荷，并與其它系統配合使用，在不犧牲服務或性能的情況下實現節能。 如果本文所述，設計方法、傳感器和通信技術均已成熟，可供工程師隨時使用。
' O2 P) v2 L5 F+ p0 r0 _9 R
3 A* F% X" T0 v+ M0 p' f