IoT 正在改變感測器架構系統的設計與實作方式

減少使用化石燃料的努力讓人聯想到鮭魚逆流而上。 高成本的太陽能板、充電控制器和電池等經濟因素，讓許多人打消離網或至少盡可能減少碳足跡的念頭。 多虧科技的進步，對抗反對勢力很快將不再費力。 例如，使用連接電網的逆變器，就能讓太陽能板將能量回送到電網，而無需使用電池、充電控制器或與設施重新接線。 此外，物聯網 (IoT) 的出現能讓您在世界各地監測太陽能板的效能。

本文將探討 IoT 如何對感測器以及仰賴感測器的系統改變其設計與實作方式。 若能部署並共用低成本的分散式感測器，就能達到更精細的控制，更是提升能效的整體解決方案一部份。 本文提及的所有技術與零件，都可在 DigiKey 的網站找到。

雲端連線

幾十年來，能源生產商與分配商都使用封閉式系統取得狀態並進行掌控。 控制中樞以及遠端交換或感測站，都是使用專用的無線鏈路、電話線路或設施間佈線，因此屬於封閉式系統或網路。 往好處想，想要進行任何竄改或入侵，就必須實際侵入或中斷複雜線路或通訊鏈路，以本機方式進行才可。

但 IoT 和雲端連線正在改變這一切，而且速度相當快。 石油、液化天然氣精煉廠、貯藏設施、傳輸系統和交換站（以及其安全監測與控制功能）都正透過雲端環境邁向全面連線。 同樣的，家用雲端系統也能提供遠端控制等優勢。 這麼一來，就可透過智慧型手機或平板電腦存取家庭或設施的主要系統，藉此讀取感測器資訊、節省能源，並且為使用預先做好準備，或在不需使用時關閉服務。

最值得一提的範例是遠端控制式恆溫器。 在微控制器與通訊網路上連接簡易的溫度感測器，就有助於降低冷暖氣機（屬於最耗電的家用系統之一）所耗用的能量。

學習演算法雖然會試著預測設定，達到更高自主性的操作，但只有能在任何地點控制溫度，才能發揮真正的效益。 例如，習得的行為可能顯示：在此工作日的這個時間，基於對人員出現的預期，暖氣應從華氏 50 度升高到 70 度；但若您知道您當時不會在家，可使用簡單的覆寫命令，讓溫度保持在 50 度，一晚省下的能源會超過家中所有的 CCFL 燈泡的消耗量。

設計解決方案範例

IoT 式連線的最大優勢之一，就是可連接備援或不同的感測器與系統，以共用彼此的功能。 舉例而言，保全系統可使用熱電紅外線感測器 (PIR) 和／或微波動作偵測器，在偵測到動作時觸發警報。 一般來說，警報系統屬於封閉迴路，是獨立的系統（圖 1）。

圖 1：獨立系統提供的功能有限，且往往有增加成本負擔的備援硬體。

但若主要感測器能透過連線，與負責完全不同主要功能的其他系統共用，就能達到更高的自主性並且節能，而無需犧牲效能或功能。 二（或多）個獨立系統共用感測器，就無須備援並可降低成本。 以範例中的系統為例，就能讓單一感測器與其他系統共用功能（圖 2）。

圖 2：將不相關的系統彼此連線，就能開創以往系統無法達到的能力境界。 這改變了 IoT 分散式感測器與控制設計的架構方法。

在範例中，安全照明不再由內建的動作偵測器驅動與控制。 反之，其動作是由微控制器監控。 泛光燈的開／關鏈路也不再只控制開與關。 燈光是由微控制器架構的調光器所驅動。

在此解決方案中，是由人工智慧式演算程式技術統合各種功能。 由於具備更高階的感知能力，設施會「得知」特定情況。 知道現在是白天還是夜晚。 知道周遭環境是亮還是暗。 知道房間內有沒有人。 還有兩個狀態也很重要：房子知道目前是否處於安全模式（即警報系統是否待命），也知道家人醒著或睡著。

使用如真值表這樣的問題解決方法，就能判斷該採取什麼行動（圖 3）。 如此即可避免在白天無謂地浪費能源；但也能以其他方式節能。

圖 3：與邏輯設計問題類似，共用與分散式感測器陣列的多重輸出解決方案，就像邏輯設計問題一樣，能以類似真值表的功能加以簡化。 系統能依據程式演算法得知目前是白天或夜晚，因此規則式判斷就無需指定白天或夜晚資訊，即可正確執行。

即便安全照明的功率為 150 W，並不表示一定要使用這麼多能源。 例如若以 30% 的亮度運作，仍足以照亮區域確保安全。 若處於安全模式，切換到 60% 的亮度就能讓入侵者知道其已受到偵測。 如此會讓警報系統進入加強狀態，並開啟視訊 DVR 一段時間。 共用感測器資料不但能累積節能效果，還能強化其他系統的效能。

這在 IoT 和雲端連線層面非常重要。 能讓系統以較高層次進行「思考」，並僅在發生真正需要注意的情況才會提醒您。 這種方式還能讓住戶以更高層次和環境互動，同時讓封閉技術降低整體能源需求。

值得注意的是，直覺式的預期可能會遭到感測器資料覆寫。 舉例而言，就算建築物依據編程的白天／夜晚演算法而知道日出與日落的時間，並不表示就會使用這些資料來達到最高節能效率。 反之，使用 Avago 的 APDS-9008-020 等環境光感測器則可更精細地挑選暗度臨界值，在真正需要時才開燈。 搭配 PIR 前置放大器（如 ROHM 的 BD9251FV-E2）和 PIR 控制器晶片（如 ON Semiconductor 的 NCS36000DRG），幾乎任何低成本 RF 微控制器（如 TI 的 CC3200R1M1RGCR）都能為新一代的 IoT 架構能源管理感測器提供理想的解決方案。

與工廠一樣，家庭和公寓的用電方式未來有可能也會響應不超過尖峰需求負載的獎勵政策。 由於用戶開始負責即時控制負載，因此生產與輸送電力的公共事業就進一步預測負載；若工業設施、民間大樓甚至住家，在任何時間點的用量超出預先決定的臨界值，電力價格就會增加。

有了獲取即時耗電量這類重要資訊的能力，就能讓控制系統切換負荷，並與其他系統合作，在不影響服務與效能的情況下進行節能。 誠如本文所述，設計方法、感測器和通訊技術，都已就緒可供工程師使用。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。