如何改变依赖传感器系统设计与实现方式

消除化石燃料的努力令人联想到逆流而上的鲑鱼。 太阳能板、充电控制器和电池等成本过高之类经济原因，打消了许多人使用离网能源或至少尽量降低其碳足迹的念头。 但是，技术的进步可能不久后就会消除这种障碍。 例如，通过使用并网逆变器，太阳能板可以让电能重新回到电网，而无需使用电池、充电控制器或对设施重新布线。 此外，随着物联网 (IoT) 的出现，您可以在世界上任何地方监控太阳能板的性能。

本文将探讨物联网将如何改变传感器和依赖传感器的系统的设计与实现方式。 通过部署并共享低成本、分布式传感器，可让物联网实现精细的控制层次，并可使之成为提升能效的社会解决方案的一部分。

云连接

无数年来，能源生产商和分销商都一直采用封闭的系统获取状态并进行控制。 通过专用无线链路、电话线或设施间布线实现的神经中枢以及远程配电站或检测站也是封闭的系统或网络。 从积极一面来看，任何篡改和黑客攻击都必须在本地完成，即以物理方式攻入或中断复杂布线或通信链路。

但是，物联网和云连接将很快改变这种状况。 石油、液化气和天然气精炼厂、存储设施、传输系统和配电站（及其安全监控功能）正全部迁移为通过云类型环境实现的全连接形式。 类似地，居家云系统可提供遥控等优势。 在这里，通过使用智能电话或平板电脑，可以访问关键的家庭或设施系统，以读取传感器信息、节省能源、做使用准备或在不需要时关闭服务。

最值得注意的示例是遥控恒温器。 连接到微控制器和通信网络的简单温度传感器，有助于降低加热和空调（属于最耗电的居家系统）所消耗的能源。

虽然学习算法可尝试预计设置，以实现更自主的操作，但也要到可从任何地方控制温度时才可以获得真正的益处。 例如，学习获得的特性可能指明，在此工作日的这个时候，在使用情况下预计温度应从 10 摄氏度升至 21摄氏度；但是，如果您知道自己到时候不在场，则使用一个简单的强制命令即可将温度设在 10摄氏度，一晚上节省的电能可供您家中所有的荧光灯使用一天还多。

设计解决方案示例

物联网式连接的最大优势之一是，能够连接冗余或非类似传感器和系统以共享功能。 例如，安防系统可能使用热电红外传感器 (PIR) 和/或基于微波的运动检测器，在检测到运动时触发警报。 通常，报警系统为一个闭环并且本身就是一个“孤岛”（图 1）。

图 1： 独立系统提供的功能有限，并且通常带来冗余硬件产生的额外成本负担。

但是，如果可通过与主要功能完全不同的其他系统连接来共享关键传感器，则可在不牺牲性能或功能的情况下实现更高级别的自主操作和节能。 两个（或以上）独立系统可共享一个传感器，以消除冗余并降低成本。 例如，我们来看看一个允许单个传感器与其它系统共享功能的系统（图 2）。

图 2：非相关系统之间的连接提供了以前任何系统皆无法实现的新功能层级。 这改变了物联网分布式传感器和控制设计的架构方法。

在我们的示例中，安全灯的动作不再由自己的运动检测器驱动和控制， 而是由微控制器来进行监控。 泛光灯的开/关链路不再只是开和关。 这些灯受基于微控制器的调光器驱动。

人工智能式算法编程技术将此解决方案的功能关联在一起。 作为较高层次感知的一部分，该设施能够“知道”某些情况。 它知道是白天还是晚上。 它知道环境是明还是暗。 它知道房间是有人还是没人。 其他两种状态也很重要：房屋知道自身是否处于安全模式（即，是否已配备警报），并且知道人是醒着还是睡着的。

安全灯可耗用 150 瓦，并不意味着就必须使用这么多能源。 例如，在 30% 的灯光强度下工作，灯光仍足以照明区域，可确保安全。 如果在安全模式下切换至 60% 的灯光强度，会让潜在入侵者知道他们已被检测到。 系统还可将报警系统置于加强状态，并可将视频 DVR 打开一段时间。 共享传感器数据允许累积节能并能增强其它系统的性能。

这在涉及物联网和云连接时很重要。 它让系统可以在较高层次“思考”，并且只在有真正需要解决的问题时才打断您。 这种方法还让居民可以在较高层次与其环境交互，同时让封装技术降低总体能耗需求。

值得注意的是，传感器数据可以比直观预期具有更高优先级。 例如，只因为大楼从编程的白天/夜晚算法中知道日出和日落时间，并不意味着它会使用该数据来最高效地节能。 而使用环境光传感器（比如 Avago APDS-9008-020）可更精确选择暗度阈值，以便在真正需要时才开灯。 在与 PIR 前置放大器（如 ROHM BD9251FV-E2）和 PIR 控制器芯片（如 ON Semiconductor NCS36000DRG）搭配使用时，几乎任何一种低成本 RF 微控制器（如 TI 的 CC3200R1M1RGCR）都可以为下一代基于物联网的能量管理传感器提供理想的解决方案。

就像工厂那样，住宅和公寓有一天也会提供激励用电政策，以避免用电超过需求负荷峰值。 因为客户负责进行实时负荷控制，如此一来，生产和配送电力的供电公司可以更好地预测负荷；当工业设施、市政建筑或者住宅在任何时间点使用比预定阈值更多的电力时，电力价格就会增加。

借助获取实时电流消耗这类关键信息的能力，控制系统可切换负荷，并与其它系统配合使用，在不牺牲服务或性能的情况下实现节能。 如果本文所述，设计方法、传感器和通信技术均已成熟，可供工程师随时使用。