物聯(lián)網(wǎng)正在改變基于傳感器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式

寂靜天花板

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。
( \  Y1 h% R0 E, K
% V! l. o: Z* O) H# \6 {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(chǔ)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(shí)關(guān)閉服務(wù)。
! Z7 \9 H7 `$ P9 X- t. }& _
* M, f# I0 J. y+ T$ G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。
0 ]/ m7 `8 p5 c% |
1 B' v* b' w) K" _5 V雖然學(xué)習(xí)算法可嘗試預(yù)計(jì)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(shí)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(gè)時(shí)候，在使用情況下預(yù)計(jì)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(shí)候不在場，則使用一個(gè)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。
8 p- g5 G. e! e& K9 M: F2 k5 O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(dòng)檢測器，在檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)觸發(fā)警報(bào)。 通常，報(bào)警系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)并且本身就是一個(gè)“孤島”（圖 1）。


0 O, T2 Z" o6 j0 d8 }# n! q: o; [: E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(gè)（或以上）獨(dú)立系統(tǒng)可共享一個(gè)傳感器，以消除冗余并降低成本。 例如，我們來看看一個(gè)允許單個(gè)傳感器與其它系統(tǒng)共享功能的系統(tǒng)（圖 2）。


0 A+ h, U# }8 ~3 r6 r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(jì)的架構(gòu)方法。

5 Y" c5 I$ l9 _0 z7 y$ |0 {- S在我們的示例中，安全燈的動(dòng)作不再由自己的運(yùn)動(dòng)檢測器驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

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(bào)），并且知道人是醒著還是睡著的。
  D) h$ @! l0 A6 B! K
, ]; `. H) r$ Z. {& z$ _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(jié)能。

所有感知狀態(tài)
: k8 ?% `+ `0 y1 V4 {' K2 P
+ m3 x7 _" T! E  T, \) o8 Q: g
  {2 Y5 K$ l6 L* O& \圖 3：就像邏輯設(shè)計(jì)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(tǒng)可從編程算法中知道白天和夜晚時(shí)間，因此基于規(guī)則的判斷可能不需要特定的白天或晚上信息就可正確執(zhí)行。

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(huì)讓潛在入侵者知道他們已被檢測到。 系統(tǒng)還可將報(bào)警系統(tǒng)置于加強(qiáng)狀態(tài)，并可將視頻 DVR 打開一段時(shí)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。
+ q# n8 |$ c: P4 E
這在涉及物聯(lián)網(wǎng)和云連接時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，并不意味著它會(huì)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(shí)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(shí)，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。
/ {- S: c% ^4 o: T# N
就像工廠那樣，住宅和公寓有一天也會(huì)提供激勵(lì)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(shí)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(shí)間點(diǎn)使用比預(yù)定閾值更多的電力時(shí)，電力價(jià)格就會(huì)增加。
' r! p7 V! T% q  {. t9 S
% ^( ~1 t0 u5 I: V, b8 o8 J借助獲取實(shí)時(shí)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(jì)方法、傳感器和通信技術(shù)均已成熟，可供工程師隨時(shí)使用。