超低功耗傳感器方案如何賦能智能樓宇

當今，物聯(lián)網(wǎng)（loT）的基礎設施已經(jīng)非常完善，其適用范圍已經(jīng)不局限于服務(wù)器和數據中心，廣泛使用在我們的家居、辦公和工廠(chǎng)。

處于物聯(lián)網(wǎng)最外圍的是傳感器，它會(huì )將數據采集起來(lái)并中繼回云服務(wù)或者在本地進(jìn)行數據處理。傳感器是樓宇智能不可缺少的一環(huán)，它可以在無(wú)人控制的情況下監測控制環(huán)境，帶來(lái)非凡的便利性和經(jīng)濟性，這樣當最后一個(gè)人離開(kāi)房間時(shí)，智能的樓宇也不會(huì )忘記關(guān)燈。

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

人工智能（AI）的運用最終將無(wú)需人工去規劃智能樓宇運營(yíng)時(shí)間表。用于檢測大面積總體占用情況的簡(jiǎn)單傳感器將會(huì )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(gè)體并提供更個(gè)性化的控制方式。運動(dòng)檢測器將為能夠識別個(gè)人面部、手勢甚至情緒的成像系統鋪平道路。智能音箱或虛擬助手所實(shí)現的音頻控制也為其迅速普及提供了重要幫助。

隨著(zhù)樓宇變得越來(lái)越智能化，它們的功能也將擴展，從而為用戶(hù)提供更個(gè)性化的體驗，如訪(fǎng)問(wèn)控制和其他安全功能。這不單純是在房間空著(zhù)時(shí)關(guān)燈實(shí)現節能，還包括僅允許授權人員進(jìn)入房間，自動(dòng)為個(gè)人網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)肅清不安全因素，確保室內網(wǎng)絡(luò )安全，甚至幫助查找物品。

圖1 智能樓宇系統拓撲示例

智能樓宇將帶來(lái)智能節能

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環(huán)境光微弱來(lái)調整照明水平的做法在如今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)過(guò)時(shí)?；ヂ?lián)照明的采用更具優(yōu)勢，并完全由現在支持和推進(jìn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)化了智能照明配件的聯(lián)接，提升了其可靠性。隨著(zhù)以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)的不斷成熟，加之LED技術(shù)可極大節省能源，此后無(wú)需專(zhuān)門(mén)聘請電工前來(lái)安裝，使用單根低壓以太網(wǎng)電纜便可實(shí)現照明設備的供電和聯(lián)接。

如今，這些作為燈具的聯(lián)接端子越來(lái)越多。它們構成了智能樓宇網(wǎng)絡(luò )不可或缺的一部分。例如，每個(gè)燈具都可高效地充當室內導航的信標。為燈具添加其他功能如占用檢測、資產(chǎn)跟蹤、環(huán)境監控也變得更加簡(jiǎn)單。所有這些功能均可由集成在單個(gè)聯(lián)接設備中的多個(gè)傳感器實(shí)現。

正是諸如此類(lèi)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(lái)最大的益處將是以更智能的方式節能。

圖2 開(kāi)發(fā)智能樓宇通信基礎設施時(shí)要考慮的主要因素

打造更智能的樓宇

智能樓宇系統的拓撲將取決于傳感器和執行器，如圖1所示。

位于系統核心的微控制器或數字信號處理器（DSP）將負責協(xié)調現有的眾多傳感器和執行器。除了用于開(kāi)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)境監控和訪(fǎng)問(wèn)控制的傳感器，而現有的執行器可能包括有刷或無(wú)刷直流（DC）電機以開(kāi)關(guān)門(mén)窗。使用某種形式的功率調制如脈寬調制（PWM）可以實(shí)現可變的照明水平，MCU/DSP就可以很好地執行。聯(lián)接將是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的組合，因此，可能使用的協(xié)議越來(lái)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(fǎng)問(wèn)，其他協(xié)議則需要網(wǎng)關(guān)。

超低功耗系統現在已經(jīng)進(jìn)入視野?？梢韵胂?，其中MCU、傳感器和執行器都可由從環(huán)境中收集的能量來(lái)供電，比如光或熱，因而為虛擬的自我維持控制系統創(chuàng )造了發(fā)展潛力。

在開(kāi)發(fā)智能樓宇基礎設施的通信網(wǎng)絡(luò )時(shí)，需要著(zhù)重考慮范圍、功率和延遲這三大因素，而各因素的權重則取決于實(shí)際應用。例如，進(jìn)入黑暗的房間和亮燈之間的任何等待時(shí)長(cháng)的差別對于居住者來(lái)說(shuō)都是非常明顯的。在這個(gè)場(chǎng)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(gè)傳感器可自行確定何時(shí)有人進(jìn)入房間，并增加照明度，那么它可在整體提升用戶(hù)體驗。

圖2說(shuō)明了這些因素是如何影響有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)技術(shù)的選擇。實(shí)施簡(jiǎn)單而強固的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（圖3），可以構建包括燈具、風(fēng)扇等聯(lián)網(wǎng)設備組成的小型網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )不僅提供范圍遠超單個(gè)節點(diǎn)的擴展網(wǎng)絡(luò )的方式，還將冗余性構建到網(wǎng)絡(luò )中，從而允許通過(guò)聯(lián)接節點(diǎn)的任意組合在網(wǎng)絡(luò )中傳遞消息。這意味著(zhù)，如果受到局部干擾，燈具無(wú)法作為路標傳遞消息時(shí)，網(wǎng)絡(luò )則將自動(dòng)將其重新路由。因此，現在大多數無(wú)線(xiàn)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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，將多個(gè)傳感器集成到一個(gè)平臺中的可行性愈發(fā)增長(cháng)，從而為聯(lián)接資產(chǎn)創(chuàng )造更大的價(jià)值，尤其是在主要價(jià)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(shí)它也是可用于捕捉大量數據的理想傳感器節點(diǎn)。

將多個(gè)傳感器集成至一個(gè)設備中，其價(jià)值將會(huì )實(shí)現大幅提升?？此破胀ǖ臒艟邊s可成為智能樓宇基礎設施的關(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(gè)傳感器，以監測占用、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(wú)線(xiàn)電，該多傳感器平臺可由單個(gè)紐扣電池供電運行數年（圖4）。

圖4 多傳感器平臺由RSL10系統級封裝（RSL10 SIP）賦能的示例

此外，現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(yáng)能電池可用于從人工照明中采集足夠的能量來(lái)為多傳感器平臺供電，并將數據定期發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。

圖5 能量采集技術(shù)現可為智能傳感器和執行器提供主要能源

總結

高能效將是智能樓宇持續發(fā)展的基礎。要實(shí)現高能效的目標，就要使樓宇更節能以實(shí)現更低的能耗，并提供采用先進(jìn)技術(shù)的低功耗方案。

在整個(gè)技術(shù)堆棧中，從使用傳感器到云服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)，節能將是關(guān)鍵。隨著(zhù)傳感器部署數量的增加，對樓宇公用設施應用進(jìn)行控制的粒度也隨之提升，從而可促進(jìn)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(zhù)數量的增加，不依賴(lài)能源使用能量采集技術(shù)以實(shí)現自供電，未來(lái)可能成為必要技術(shù)。

安森美半導體正開(kāi)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，安森美半導體始終致力于提供更高能效和更智能的方案。