物聯(lián)網(wǎng)正在改變基于傳感器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式

寂靜天花板

無(wú)數(shù)年來(lái)，能源生產(chǎn)商和分銷(xiāo)商都一直采用封閉的系統(tǒng)獲取狀態(tài)并進(jìn)行控制,。 通過(guò)專(zhuān)用無(wú)線鏈路,、電話線或設(shè)施間布線實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)中樞以及遠(yuǎn)程配電站或檢測(cè)站也是封閉的系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò),。 從積極一面來(lái)看，任何篡改和黑客攻擊都必須在本地完成,，即以物理方式攻入或中斷復(fù)雜布線或通信鏈路,。
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+ ?& L' s; d  H但是，物聯(lián)網(wǎng)和云連接將很快改變這種狀況,。 石油,、液化氣和天然氣精煉廠、存儲(chǔ)設(shè)施,、傳輸系統(tǒng)和配電站（及其安全監(jiān)控功能）正全部遷移為通過(guò)云類(lèi)型環(huán)境實(shí)現(xiàn)的全連接形式,。 類(lèi)似地，居家云系統(tǒng)可提供遙控等優(yōu)勢(shì),。 在這里,，通過(guò)使用智能電話或平板電腦，可以訪問(wèn)關(guān)鍵的家庭或設(shè)施系統(tǒng),，以讀取傳感器信息,、節(jié)省能源、做使用準(zhǔn)備或在不需要時(shí)關(guān)閉服務(wù),。

最值得注意的示例是遙控恒溫器,。 連接到微控制器和通信網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單溫度傳感器，有助于降低加熱和空調(diào)（屬于最耗電的居家系統(tǒng)）所消耗的能源,。

雖然學(xué)習(xí)算法可嘗試預(yù)計(jì)設(shè)置,，以實(shí)現(xiàn)更自主的操作,，但也要到可從任何地方控制溫度時(shí)才可以獲得真正的益處。 例如,，學(xué)習(xí)獲得的特性可能指明,，在此工作日的這個(gè)時(shí)候，在使用情況下預(yù)計(jì)溫度應(yīng)從 10 攝氏度升至 21 攝氏度,；但是,，如果您知道自己到時(shí)候不在場(chǎng)，則使用一個(gè)簡(jiǎn)單的強(qiáng)制命令即可將溫度設(shè)在 10 攝氏度,，一晚上節(jié)省的電能可供您家中所有的熒光燈使用一天還多,。
物聯(lián)網(wǎng)式連接的最大優(yōu)勢(shì)之一是，能夠連接冗余或非類(lèi)似傳感器和系統(tǒng)以共享功能,。 例如,，安防系統(tǒng)可能使用熱電紅外傳感器 (PIR) 和/或基于微波的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)觸發(fā)警報(bào),。 通常,，報(bào)警系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)并且本身就是一個(gè)“孤島”（圖 1）。

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, _) k; Z7 m. r圖 1： 獨(dú)立系統(tǒng)提供的功能有限,，并且通常帶來(lái)冗余硬件產(chǎn)生的額外成本負(fù)擔(dān),。
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但是，如果可通過(guò)與主要功能完全不同的其他系統(tǒng)連接來(lái)共享關(guān)鍵傳感器,，則可在不犧牲性能或功能的情況下實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自主操作和節(jié)能,。 兩個(gè)（或以上）獨(dú)立系統(tǒng)可共享一個(gè)傳感器，以消除冗余并降低成本,。 例如,，我們來(lái)看看一個(gè)允許單個(gè)傳感器與其它系統(tǒng)共享功能的系統(tǒng)（圖 2）。
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" a9 m1 C( w3 ?( d& K0 q圖 2：非相關(guān)系統(tǒng)之間的連接提供了以前任何系統(tǒng)皆無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能層級(jí),。 這改變了物聯(lián)網(wǎng)分布式傳感器和控制設(shè)計(jì)的架構(gòu)方法,。
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在我們的示例中，安全燈的動(dòng)作不再由自己的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)和控制,， 而是由微控制器來(lái)進(jìn)行監(jiān)控,。 泛光燈的開(kāi)/關(guān)鏈路不再只是開(kāi)和關(guān)。 這些燈受基于微控制器的調(diào)光器驅(qū)動(dòng),。

* O, g: T7 |+ b  S" h& h+ u人工智能式算法編程技術(shù)將此解決方案的功能關(guān)聯(lián)在一起,。 作為較高層次感知的一部分，該設(shè)施能夠“知道”某些情況,。 它知道是白天還是晚上,。 它知道環(huán)境是明還是暗。 它知道房間是有人還是沒(méi)人。 其他兩種狀態(tài)也很重要：房屋知道自身是否處于安全模式（即,，是否已配備警報(bào)）,，并且知道人是醒著還是睡著的。
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: |: }# E" W! o$ A# I類(lèi)似于真值表的問(wèn)題解決方法可確定采取什么措施（圖 3）,。 這可防止在白天低效地消耗能源,；但它還可以其他方式節(jié)能。
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所有感知狀態(tài)
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5 _% }/ r& Y" C; X2 v) r. }圖 3：就像邏輯設(shè)計(jì)問(wèn)題那樣,，共享及分布式傳感器陣列的多輸出解決方案可簡(jiǎn)化為類(lèi)似真值表功能,。 系統(tǒng)可從編程算法中知道白天和夜晚時(shí)間，因此基于規(guī)則的判斷可能不需要特定的白天或晚上信息就可正確執(zhí)行,。
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安全燈可耗用 150 瓦,，并不意味著就必須使用這么多能源。 例如,，在 30% 的燈光強(qiáng)度下工作,，燈光仍足以照明區(qū)域，可確保安全,。 如果在安全模式下切換至 60% 的燈光強(qiáng)度，會(huì)讓潛在入侵者知道他們已被檢測(cè)到,。 系統(tǒng)還可將報(bào)警系統(tǒng)置于加強(qiáng)狀態(tài),，并可將視頻 DVR 打開(kāi)一段時(shí)間。 共享傳感器數(shù)據(jù)允許累積節(jié)能并能增強(qiáng)其它系統(tǒng)的性能,。

5 u2 k. b' n1 ~' t這在涉及物聯(lián)網(wǎng)和云連接時(shí)很重要,。 它讓系統(tǒng)可以在較高層次“思考”，并且只在有真正需要解決的問(wèn)題時(shí)才打斷您,。 這種方法還讓居民可以在較高層次與其環(huán)境交互,，同時(shí)讓封裝技術(shù)降低總體能耗需求。
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' k$ W% U- J9 A) \2 k值得注意的是,，傳感器數(shù)據(jù)可以比直觀預(yù)期具有更高優(yōu)先級(jí),。 例如，只因?yàn)榇髽菑木幊痰陌滋?夜晚算法中知道日出和日落時(shí)間,，并不意味著它會(huì)使用該數(shù)據(jù)來(lái)最高效地節(jié)能,。 而使用環(huán)境光傳感器（比如 Avago APDS-9008-020）可更精確選擇暗度閾值，以便在真正需要時(shí)才開(kāi)燈,。 在與 PIR 前置放大器（如 ROHM BD9251FV-E2）和 PIR 控制器芯片（如 ON Semiconductor NCS36000DRG）搭配使用時(shí),，幾乎任何一種低成本 RF 微控制器（如 TI 的 CC3200R1M1RGCR）都可以為下一代基于物聯(lián)網(wǎng)的能量管理傳感器提供理想的解決方案。
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就像工廠那樣,，住宅和公寓有一天也會(huì)提供激勵(lì)用電政策,，以避免用電超過(guò)需求負(fù)荷峰值。 因?yàn)榭蛻?hù)負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)荷控制,，如此一來(lái),，生產(chǎn)和配送電力的供電公司可以更好地預(yù)測(cè)負(fù)荷,；當(dāng)工業(yè)設(shè)施、市政建筑或者住宅在任何時(shí)間點(diǎn)使用比預(yù)定閾值更多的電力時(shí),，電力價(jià)格就會(huì)增加,。

" [! L5 ?0 D  A* |3 h: h$ K& e借助獲取實(shí)時(shí)電流消耗這類(lèi)關(guān)鍵信息的能力，控制系統(tǒng)可切換負(fù)荷,，并與其它系統(tǒng)配合使用,，在不犧牲服務(wù)或性能的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 如果本文所述,，設(shè)計(jì)方法,、傳感器和通信技術(shù)均已成熟，可供工程師隨時(shí)使用,。
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