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超低功耗傳感器方案如何賦能智能樓宇
發布時間:2020-09-17 閱讀量:106 來源:電子工程網 作者: Pavan Mulabagal

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

處于物聯網最外圍的是傳感器,它會將數據采集起來并中繼回云服務或者在本地進行數據處理。傳感器是樓宇智能不可缺少的一環,它可以在無人控制的情況下監測控制環境,帶來非凡的便利性和經濟性,這樣當最后一個人離開房間時,智能的樓宇也不會忘記關燈。

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

人工智能(AI)的運用最終將無需人工去規劃智能樓宇運營時間表。用于檢測大面積總體占用情況的簡單傳感器將會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體并提供更個性化的控制方式。運動檢測器將為能夠識別個人面部、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現的音頻控制也為其迅速普及提供了重要幫助。

隨著樓宇變得越來越智能化,它們的功能也將擴展,從而為用戶提供更個性化的體驗,如訪問控制和其他安全功能。這不單純是在房間空著時關燈實現節能,還包括僅允許授權人員進入房間,自動為個人網絡訪問肅清不安全因素,確保室內網絡安全,甚至幫助查找物品。

智能樓宇將帶來智能節能

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境光微弱來調整照明水平的做法在如今的互聯網時代已經過時。互聯照明的采用更具優勢,并完全由現在支持和推進IoT發展的技術所賦能。

通信是其中的一大關鍵要素。無線網狀網絡簡化了智能照明配件的聯接,提升了其可靠性。隨著以太網供電(PoE)技術的不斷成熟,加之LED技術可極大節省能源,此后無需專門聘請電工前來安裝,使用單根低壓以太網電纜便可實現照明設備的供電和聯接。

如今,這些作為燈具的聯接端子越來越多。它們構成了智能樓宇網絡不可或缺的一部分。例如,每個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、資產跟蹤、環境監控也變得更加簡單。所有這些功能均可由集成在單個聯接設備中的多個傳感器實現。

正是諸如此類技術的發展,樓宇將能夠為居住者提供更多的便利,但其最終帶來最大的益處將是以更智能的方式節能。

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。


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圖1:智能樓宇系統拓撲示例

位于系統核心的微控制器或數字信號處理器(DSP)將負責協調現有的眾多傳感器和執行器。除了用于開關燈的機電式或固態繼電器外,這將包括用于占用檢測、環境監控和訪問控制的傳感器,而現有的執行器可能包括有刷或無刷直流(DC)電機以開關門窗。使用某種形式的功率調制如脈寬調制(PWM)可以實現可變的照明水平,MCU/DSP就可以很好地執行。聯接將是有線和無線的組合,因此,可能使用的協議越來越多。其中,一些協議支持互聯網使用的相同協議,因而可以直接訪問,其他協議則需要網關。

超低功耗系統現在已經進入視野。可以想象,其中MCU、傳感器和執行器都可由從環境中收集的能量來供電,比如光或熱,因而為虛擬的自我維持控制系統創造了發展潛力。

在開發智能樓宇基礎設施的通信網絡時,需要著重考慮范圍、功率和延遲這三大因素,而各因素的權重則取決于實際應用。例如,進入黑暗的房間和亮燈之間的任何等待時長的差別對于居住者來說都是非常明顯的。在這個場景中,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。若某個傳感器可自行確定何時有人進入房間,并增加照明度,那么它可在整體提升用戶體驗。



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圖2:開發智能樓宇通信基礎設施時要考慮的主要因素


圖2說明了這些因素是如何影響有線/無線技術的選擇。實施簡單而強固的網狀網絡(圖3),可以構建包括燈具、風扇等聯網設備組成的小型網絡。網狀網絡不僅提供范圍遠超單個節點的擴展網絡的方式,還將冗余性構建到網絡中,從而允許通過聯接節點的任意組合在網絡中傳遞消息。這意味著,如果受到局部干擾,燈具無法作為路標傳遞消息時,網絡則將自動將其重新路由。因此,現在大多數無線協議都采用網狀網絡。


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圖3:網狀網絡擴展網絡并提供路由冗余

多傳感器平臺交付更多

隨著技術的進步,將多個傳感器集成到一個平臺中的可行性愈發增長,從而為聯接資產創造更大的價值,尤其是在主要價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,但同時它也是可用于捕捉大量數據的理想傳感器節點。

將多個傳感器集成至一個設備中,其價值將會實現大幅提升。看似普通的燈具卻可成為智能樓宇基礎設施的關鍵部分。傳感器的小尺寸和超低功耗特性,使小外形的PCB可輕松容納多個傳感器,以監測占用、溫度、濕度、空氣質量等。使用超低功耗通信器件如RSL10 藍牙低功耗無線電,該多傳感器平臺可由單個紐扣電池供電運行數年(圖4)。


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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,并利用從環境中采集的能量為多傳感器互聯平臺供電(圖5)。




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圖5:能量采集技術現可為智能傳感器和執行器提供主要能源


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能電池可用于從人工照明中采集足夠的能量來為多傳感器平臺供電,并將數據定期發送回網關。

總結

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

在整個技術堆棧中,從使用傳感器到云服務訪問,節能將是關鍵。隨著傳感器部署數量的增加,對樓宇公用設施應用進行控制的粒度也隨之提升,從而可促進高能效的循環。但這在很大程度上取決于傳感器、處理器和聯接技術的能效。隨著數量的增加,不依賴能源使用能量采集技術以實現自供電,未來可能成為必要技術。


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