超低功耗传感器方案打造更智能的楼宇系统

2020-09-16来源: EEWORLD关键字:超低功耗传感器  安森美

当今,物联网(loT)的基础设施已经非常完善,其适用范围已经不局限于服务器和数据中心,广泛使用在我们的家居、办公和工厂。

 

处于物联网最外围的是传感器,它会将数据采集起来并中继回云服务或者在本地进行数据处理。传感器是楼宇智能不可缺少的一环,它可以在无人控制的情况下监测控制环境,带来非凡的便利性和经济性,这样当最后一个人离开房间时,智能的楼宇也不会忘记关灯。

 

传感器的原型是一种相对简单的控制系统,比如通过占用检测和温度测量来控制供暖和照明,如今该技术已发展成熟。对于用户而言,楼宇变得愈加智能,背后其实是其系统智能水平得以提升。

 

人工智能(AI)的运用最终将无需人工去规划智能楼宇运营时间表。用于检测大面积总体占用情况的简单传感器将会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。运动检测器将为能够识别个人面部、手势甚至情绪的成像系统铺平道路。智能音箱或虚拟助手所实现的音频控制也为其迅速普及提供了重要帮助。

 

随着楼宇变得越来越智能化,它们的功能也将扩展,从而为用户提供更个性化的体验,如访问控制和其他安全功能。这不单纯是在房间空着时关灯实现节能,还包括仅允许授权人员进入房间,自动为个人网络访问肃清不安全因素,确保室内网络安全,甚至帮助查找物品。

 

智能楼宇将带来智能节能

 

照明和供暖占目前整体能源消耗的40%。使用占用检测和根据环境光微弱来调整照明水平的做法在如今的互联网时代已经过时。互联照明的采用更具优势,并完全由现在支持和推进IoT发展的技术所赋能。

 

通信是其中的一大关键要素。无线网状网络简化了智能照明配件的联接,提升了其可靠性。随着以太网供电(PoE)技术的不断成熟,加之LED技术可极大节省能源,此后无需专门聘请电工前来安装,使用单根低压以太网电缆便可实现照明设备的供电和联接。

 

如今,这些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。例如,每个灯具都可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、环境监控也变得更加简单。所有这些功能均可由集成在单个联接设备中的多个传感器实现。

 

正是诸如此类技术的发展,楼宇将能够为居住者提供更多的便利,但其最终带来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:智能楼宇系统拓扑示例

 

位于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传感器,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就可以很好地执行。联接将是有线和无线的组合,因此,可能使用的协议越来越多。其中,一些协议支持互联网使用的相同协议,因而可以直接访问,其他协议则需要网关。

 

超低功耗系统现在已经进入视野。可以想象,其中MCU、传感器和执行器都可由从环境中收集的能量来供电,比如光或热,因而为虚拟的自我维持控制系统创造了发展潜力。

 

在开发智能楼宇基础设施的通信网络时,需要着重考虑范围、功率和延迟这三大因素,而各因素的权重则取决于实际应用。例如,进入黑暗的房间和亮灯之间的任何等待时长的差别对于居住者来说都是非常明显的。在这个场景中,低延迟就很重要。

 

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。若某个传感器可自行确定何时有人进入房间,并增加照明度,那么它可在整体提升用户体验。

 

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说明了这些因素是如何影响有线/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、风扇等联网设备组成的小型网络。网状网络不仅提供范围远超单个节点的扩展网络的方式,还将冗余性构建到网络中,从而允许通过联接节点的任意组合在网络中传递消息。这意味着,如果受到局部干扰,灯具无法作为路标传递消息时,网络则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。

 

A clock in the middle of a watch

Description automatically generated

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的可行性愈发增长,从而为联接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,其主要功能是照明,但同时它也是可用于捕捉大量数据的理想传感器节点。

 

将多个传感器集成至一个设备中,其价值将会实现大幅提升。看似普通的灯具却可成为智能楼宇基础设施的关键部分。传感器的小尺寸和超低功耗特性,使小外形的PCB可轻松容纳多个传感器,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

 

此外,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

 

因此,智能传感器几乎可以放置在楼宇中的任何位置。例如,相对小巧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,并将数据定期发送回网关。

 

总结

 

高能效将是智能楼宇持续发展的基础。要实现高能效的目标,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,从使用传感器到云服务访问,节能将是关键。随着传感器部署数量的增加,对楼宇公用设施应用进行控制的粒度也随之提升,从而可促进高能效的循环。但这在很大程度上取决于传感器、处理器和联接技术的能效。随着数量的增加,不依赖能源使用能量采集技术以实现自供电,未来可能成为必要技术。

 

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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