超低功耗传感器让楼宇“变得”更聪明

当前，物联网的基础设施逐渐趋于完善，适用范围也不再局限于服务器和数据中心，在家居、办公和工厂得到了越来越多的应用。物联网的最外围是传感器，它将采集的数据传送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，可以在无人控制的情况下监测控制环境，具有非凡的便利性和经济性。

传感器的原型是一种相对简单的控制系统，比如通过检测温度控制室内的供暖和照明，如今该技术已发展成熟。对于用户而言，楼宇智能化的背后是传感器系统智能水平的提升。随着人工智能的引入，智能楼宇运营时间表也无需人工规划。用于检测大空间的简单传感器将会被更精密的图像传感器取代，图像传感器可以根据用户习惯提供更灵活的控制方式。

运动检测器的问世也将为识别面部、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，也加快了图像传感器的普及速度。智能化的功能也得到了扩展，从而为用户提供更具个性化的体验，如访问控制和其他安全功能。其中就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、帮助查找物品等。

图1：智能楼宇系统拓扑示例。

智能楼宇带来智能节能

据统计，照明和供暖占目前全球整体能源消耗的40%。使用传感器根据环境光调整照明的做法，在如今的互联网时代已经过时。采用互联照明更具优势，这得益于当前物联网的快速发展。

通信是其中一大关键要素。无线网状网络简化了智能照明配件的联接，提升了可靠性。随着以太网供电技术的不断成熟，加之LED技术可极大节省能源，今后无需专门聘请电工安装，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。

灯具的联接端子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。此外，用户为灯具添加其他功能如占用检测、资产跟踪、环境监控也变得更简单。所有这些功能都可由集成在单个联接设备中的多个传感器实现。

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。位于系统核心的微控制器或数字信号处理器，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，现有的执行器可能还包括用有刷或无刷直流电机开关门窗。

使用某种形式的功率调制如脉宽调制，可以实现可变的照明水平，在这方面微控制器或数字信号处理器可以很好地执行。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，其中微控制器、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。

图2：开发智能楼宇通信基础设施时要考虑的主要因素 。

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，而对三种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，相比依靠云处理资源做出决策，本地处理可以提供更低的延迟。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，那么它在提升用户体验上就具有明显优势。

图3：网状网络扩展网络并提供路由冗余

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。这意味着如果传感器受到了局部干扰，灯具无法作为路标传递消息时，网络则自动将其重新路由。因此，现在大多数无线协议都采用了网状网络。

多传感器平台的未来

随着技术的进步，将多个传感器集成到一个平台的可行性越来越大，从而为联接室内设施创造了更大的价值。以灯具为例，其主要功能是照明，但同时它也是捕捉大量数据的理想传感器节点。

图4：多传感器平台由RSL10系统级封装（RSL10 SIP）赋能的示例 。

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。看似普通的灯具可以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，使小外印制电路板可轻松容纳多个传感器同时监测占用、温度、湿度、空气质量等数据。

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）。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为多传感器平台供电，并将数据定期发送回网关。

小结

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，就要使楼宇实现更低的能耗，并提供可行性的低功耗方案。

从使用传感器到云服务访问，节能将是关键。随着传感器数量的增加，对楼宇公用设施应用进行控制的力度也随之提升，从而促进高能效的循环。但楼宇要实现高效节能，在很大程度上取决于传感器、处理器和联接技术的能效。随着楼宇内部传感器数量的增加，使用能量采集技术以实现供电，可能成为未来的发展方向。

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。

文章来源：安森美半导体