物联网传感器在智能家居和智慧城市中的作用

传感器是物联网最重要的组成部分，负责从物理世界收集数据并将其发送到云端进行分析。传感器使物联网设备能够测量温度、湿度、压力和其他环境条件。它们还有助于实现运动检测、面部识别和声音检测等监控活动。传感器还在智能家居和智慧城市中用于对活动进行远程控制和监控，从而提高效率和安全性。随着越来越多的用户和市政当局在其环境中采用传感器，预计未来几年传感器在物联网中的使用将呈指数级增长。OzQednc

智能家居中的物联网传感器

与传统家庭中电子设备彼此独立运行不同，在智能家居中，将有一个基础设施连接所有传感器，并可通过专用路由器或无线电模块访问互联网。OzQednc

自动化系统的引入可实现对网联设备的远程控制和监控，从而减少对人机交互的需求，同时提供更高的舒适度、安全性和能源效率，进而有助于减少碳足迹。OzQednc

智能家居中的物联网传感器有哪些？6月8日，由AspenCore主办的【2023国际AIoT生态发展大会】将于深圳南山科兴科学园国际会议中心举行。大会下午场特设“智能家居&可穿戴”分论坛，邀请到Nordic、泰凌微、中国科学院深圳先进技术研究院、芯科科技、意法半导体、博通集成、海尔智家等知名企业和机构发表主题演讲，并将举办“智能家居互连互通的理想与现实”圆桌论坛，欢迎工程师朋友莅临现场学习和交流！OzQednc

智能家居中使用的传感器可以执行多种功能，包括：OzQednc

• 存在检测：这类传感器的任务是检测其覆盖区域内人或动物的存在和移动。有两种主要技术可用于实现这类传感器：无源红外(PIR)和微波(MW)。前者是无源传感器，通过测量物体所发出的热量来检测其存在。为此，该传感器采用受热时会产生能量的特殊材料(如氮化镓、硝酸铯和聚氟乙烯)制造。尽管PIR技术已经获得发展(例如引入了温度补偿)，但由于其局限性仍有可能导致错误检测。另一方面，MW传感器则是有源器件，利用的是沿传感器覆盖区域辐射的高频信号(GHz范围内的某个频率)。这种传感器所使用的工作原理与雷达相同，因此同时具有发射器和接收器。这种传感器基于多普勒效应，通过测量接收信号与发射信号频率的变化来检测是否存在。这种技术非常可靠，并且不受温度影响。
• 照明控制：可使用存在检测传感器，只在房间有人时才打开或关闭灯，从而节省能源。此外，目前的照明系统可以让用户调暗亮度甚至改变光的温度(光的颜色)。借助智能家居系统，可以根据用户需要对每盏灯进行单独控制或将它们分组，对开关时间进行编程，并定义定制的照明配置文件。
• 暖通空调(HVAC)监控：可使用智能恒温器，根据当前温度、家中是否有人或在特定时间对供暖或空调装置的开关进行编程。在散热器加热的情况下，可使用配备无线接口的恒温阀自定义每个加热单元的使用，而仅在需要的时间和位置加热。
• 安全系统：此类别所涵盖的范围从最简单的传感器(如存在检测器和应用于门窗的簧片触点)到遥控半球摄像头和视频监控系统。除了防盗报警系统，用于检测气体、火焰或水泄漏的传感器也发挥着重要作用，因为它们能够在发生潜在危险事件时发送警报通知。
• 天气传感器：能够检测降雨强度、湿度和风速的特殊传感器，对于花园灌溉系统的管理至关重要。它们还可用于自动收回遮阳篷并放下百叶窗。
• 功率传感器：连接到每个用电设备(家用电器、空调、洗衣机、烘干机、洗碗机等)的无线智能插座，可以让用户监控瞬时功率消耗并分析历史数据，从而帮助他们识别家中任何能源效率低下之处，进而减少能源浪费。为了尽可能最有效、可靠地管理所有这些功能，现在可以使用集成解决方案来简化设计过程，同时缩短上市时间。图1给出了一个通用示例。片上系统集成了所有必需的功能：无线连接、内存(闪存和RAM)、安全引擎、模数转换器和I/O信号。

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图1：通用智能家居传感器框图。(图片来源：Silicon Labs)OzQednc

适当的信号调节电路可通过执行所需的信号放大、采样和滤波处理，实现与模拟传感器接口。符合Wi-Fi 6标准或配备蓝牙低功耗、亚GHz甚至LoRa无线电接口的设备现已上市。这种类型的设备采用普通纽扣电池供电，可以保证运行10年。OzQednc

Matter协议

根据麦肯锡公司的一项研究，到2030年，物联网的潜在经济价值预计将达到12.6万亿美元。如此大量的物联网设备和服务带来了与安全性和互操作性相关的设计挑战。这种需求推动了连接标准联盟CSA(前身为Zigbee联盟)的诞生及其Matter 1.0标准的发布。OzQednc

Matter项目创立的共同信念是，应该使恒温器、灯泡和智能电视等智能家电变得安全、可靠且易于使用。为了简化制造商的开发并为客户提高各种物联网设备的兼容性，CSA将Matter开发为专注于应用层的全球物联网标准。OzQednc

物联网和智慧城市

面向智慧城市更广泛的场景，物联网传感器可用于监测空气质量、噪声和水污染。例如，这些传感器可以监测土壤湿度，以确保公园和花园得到有效浇灌，从而减少浪费和计划外维护。OzQednc

智慧城市中的典型用例包括：OzQednc

• 街道照明：智慧城市可以快速有效地识别断电、坏灯和供电中断，进而提高大都市地区的安全性，而步行者、骑自行车者和其他道路使用者的安全则可通过战略性调节照明来实现。智能照明解决方案可利用实时数据分析和使用跟踪，帮助城镇节约能源和提高安全性。
• 废物管理：城市服务提供商可通过了解垃圾箱状态，对填充水平做出实时响应，从而防止容器溢出和垃圾产生。它还可以实现更有效的垃圾收集，减少不必要的半空垃圾箱拾取，从而节省燃料并减少污染。
• 交通和停车管理：停车位可得到更好的监测和控制，从而可通过帮助停车供应商调整价格以反映实际使用模式来增加收入。该城市还可通过密切关注“禁止停车”区域，确保消防、警察和救护车等紧急服务始终可以进入。借助网联汽车和智能停车解决方案，物联网传感器可用来提高安全性并减少交通拥堵。传感器还可将收集到的实时数据与地方当局和驾驶员共享。除了可提供有关可用停车位和最佳路线的信息外，它还可用来激活交通警告。

智能照明解决方案的一个案例是图2所示的大学校园智能灯杆。该设备除了可提供高效照明外，还可满足智慧城市的各种要求，包括环境传感器、紧急电话和安全摄像头。Valmont Industries公司的智能灯杆与Digi International公司的无线通信设备相结合，可实现从根据不断变化的环境条件开灯和关灯，到实时监控安全的监控摄像头的各种智能功能。OzQednc

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图2：Valmont的大学校园智能灯杆项目。(图片来源：Digi International公司)OzQednc

（原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接：The role of IoT sensors in smart homes and cities，由Franklin Zhao编译。）OzQednc

本文为《电子技术设计》2023年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。OzQednc