正如互聯(lián)網(wǎng)已連接人和組織一樣，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望連接深層嵌入式設(shè)備和傳感器。然而，預(yù)計(jì)設(shè)備數(shù)量將達(dá)數(shù)十億，物聯(lián)網(wǎng)代表了一種新的環(huán)境，設(shè)備不斷地將數(shù)據(jù)流輸入到基于云的“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用程序進(jìn)行分析，并直接響應(yīng)來(lái)自這些應(yīng)用程序和用戶的控制指令。在設(shè)備和云之間，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以聚合，分析和控制數(shù)據(jù)流以及為其提供數(shù)據(jù)的設(shè)備。同時(shí)，這些網(wǎng)關(guān)為用戶提供了更直接的渠道，通過(guò)智能手機(jī)和平板電腦上運(yùn)行的簡(jiǎn)單移動(dòng)界面管理各種互連設(shè)備及其數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)旨在將各種設(shè)備連接成一個(gè)內(nèi)聚的控制和能源管理系統(tǒng)，從嵌入式傳感器擴(kuò)展到基于云的應(yīng)用。對(duì)于智能電表等能源設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供強(qiáng)大的本地處理能力，使設(shè)計(jì)人員能夠從智能電表中卸載應(yīng)用程序代碼，并依賴于這些專用測(cè)量系統(tǒng)的更簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。工程師可以使用ADI公司，Atmel公司，Cirrus Logic公司，飛思卡爾半導(dǎo)體公司，Maxim集成公司，Microchip Technology公司，意法半導(dǎo)體公司和德州儀器公司等專業(yè)能源測(cè)量IC，MCU和MPU組合，創(chuàng)建具有成本效益的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供連接多種應(yīng)用所需的各種連接選項(xiàng)，如智能電表，恒溫器，固態(tài)照明，智能家電等。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)至少提供Wi-Fi和以太網(wǎng)通信選項(xiàng)，以橋接這些設(shè)備與用戶（以及云）之間的連接。因此，消費(fèi)者可以簡(jiǎn)單地使用其支持Wi-Fi的移動(dòng)計(jì)算設(shè)備或以太網(wǎng)連接的計(jì)算機(jī)與設(shè)備交互，監(jiān)控實(shí)時(shí)能耗并控制能源使用。

為了與無(wú)數(shù)外圍設(shè)備和傳感器進(jìn)行交互，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)人員通常需要支持相應(yīng)的多種連接選項(xiàng)，包括用于智能電表的ZigBee和電力線通信，或用于照明控制和自動(dòng)化的Z-Wave，和許多其他人。對(duì)于諸如預(yù)付費(fèi)或移動(dòng)設(shè)備配對(duì)的近場(chǎng)通信應(yīng)用，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)者還將面臨支持藍(lán)牙和NFC（近場(chǎng)通信）協(xié)議的要求。

雖然網(wǎng)關(guān)需要支持多種連接選項(xiàng)，但它們的本地處理能力可將這些系統(tǒng)提升到簡(jiǎn)單的多協(xié)議通信接口之上。作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的核心，功能強(qiáng)大的處理器可以在本地管理通信，執(zhí)行信號(hào)處理和執(zhí)行復(fù)雜的控制應(yīng)用，而不需要來(lái)自云的詳細(xì)指令（圖1）。通常，這些系統(tǒng)依賴于全功能操作系統(tǒng)，例如運(yùn)行在基于ARM?Cortex?A系列處理器的Linux上，例如基于Texas Instruments Sitara AM335x ARM Cortex-A8處理器或Freescale Semiconductor i.MX 6SL（單個(gè)） -core）或基于ARM Cortex-A9的處理器的i.MX 6DL（雙核）。

圖1：典型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)圍繞功能強(qiáng)大的處理器構(gòu)建多個(gè)連接選項(xiàng)，能夠從下游設(shè)備卸載信號(hào)處理任務(wù)并執(zhí)行控制應(yīng)用程序，無(wú)需云的干預(yù) - 基于應(yīng)用程序（由德州儀器公司提供）。

對(duì)于大多數(shù)能源管理應(yīng)用，智能電表和類似的能量測(cè)量子系統(tǒng)不可避免地作為關(guān)鍵要素，提供有關(guān)能源使用和實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化的信息。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，由于需求趨向于更高級(jí)的功能，因此希望更精細(xì)地控制能量監(jiān)控并改進(jìn)與管理系統(tǒng)的集成，這導(dǎo)致這些測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。

應(yīng)用挑戰(zhàn)

與此同時(shí)，監(jiān)管要求限制了可與能源測(cè)量功能相結(jié)合的應(yīng)用的性質(zhì)。因此，更復(fù)雜的能量測(cè)量系統(tǒng)已發(fā)展為在能量測(cè)量和應(yīng)用處理之間分離功能（圖2）。

圖2：先進(jìn)的智能電表使用單獨(dú)的處理器為能量測(cè)量和能源管理應(yīng)用軟件提供復(fù)雜功能（德州儀器公司提供）。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以提供卸載專用能量測(cè)量應(yīng)用所需的資源，同時(shí)依靠專用子系統(tǒng)進(jìn)行能量測(cè)量。過(guò)去，能量測(cè)量子系統(tǒng)將用于能量測(cè)量的單獨(dú)模擬前端與用于功率計(jì)算的嵌入式處理器相結(jié)合。通過(guò)將模擬前端和處理器組合到單個(gè)芯片中，能量計(jì)量IC簡(jiǎn)化了能量監(jiān)控設(shè)計(jì)。實(shí)際上，這些設(shè)備為集成能量測(cè)量功能打開(kāi)了大門，旨在幫助消費(fèi)者優(yōu)化智能家電和白色家電的能耗。

在智能電表或電器能量監(jiān)控器本身中，單芯片電能計(jì)量IC可以執(zhí)行復(fù)雜的能量測(cè)量，但通常缺乏更高級(jí)功能所需的性能。單芯片電能計(jì)量IC通常將MCU內(nèi)核與高精度板載ADC和專用信號(hào)鏈相結(jié)合，旨在增強(qiáng)測(cè)量功能，同時(shí)最大限度地減少外部元件。工程師可以找到測(cè)量電力線特性并報(bào)告各種能量特性的設(shè)備。

此類器件包括Microchip Technology MCP3905A，STMicroelectronics STPM01，Maxim Integrated 78M6610，Cirrus Logic CS5467和Atmel ATM90E32AS，可測(cè)量線電壓和電流并計(jì)算能量參數(shù)。通常，這些設(shè)備包括額外的溫度輸入以及對(duì)額外傳感器輸入的支持，以及用于篡改檢測(cè)的專用端口。

在這些器件中，MCU/DSP內(nèi)核用作功率計(jì)算引擎，分析電壓，電流和相位，以計(jì)算有功電能，無(wú)功電能和功率因數(shù)。 ADI公司的ADE5169包括一個(gè)高效的單周期8052 MCU內(nèi)核以及一個(gè)用于能量測(cè)量的專用信號(hào)處理模塊（圖3）。與同類產(chǎn)品中的許多器件一樣，ADE5169包含一個(gè)片上LCD驅(qū)動(dòng)器，旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少具有集成顯示器的專用能量管理單元的元件數(shù)量。

圖3：?jiǎn)涡酒娔苡?jì)量IC，例如ADI公司的ADE5169，將MCU內(nèi)核與片上ADC和專用信號(hào)鏈相結(jié)合，用于計(jì)算特性包括有功功率，無(wú)功功率和電源線電壓，電流和相位測(cè)量的功率因數(shù)（由Analog Devices提供）。

這些設(shè)備提供多個(gè)串行和并行輸出端口，能夠?qū)⒛芰繙y(cè)量值直接傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或通過(guò)相關(guān)的有線或無(wú)線通信子系統(tǒng)。反過(guò)來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以執(zhí)行所需的應(yīng)用程序代碼，為用戶提供超出單芯片電能計(jì)量IC本身功能的額外能源管理功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)，能源管理架構(gòu)師可以在不影響其提供更復(fù)雜應(yīng)用的能力的情況下提高這些單芯片電表的效率。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為能量測(cè)量設(shè)備提供了關(guān)鍵的聚合功能，這些設(shè)備不僅位于智能電表中，而且越來(lái)越多地位于耗能設(shè)備本身。更重要的是，這些網(wǎng)關(guān)基于能夠執(zhí)行全功能操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序代碼的強(qiáng)大處理器。通過(guò)將應(yīng)用程序處理卸載到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)化能量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依靠網(wǎng)關(guān)提供單芯片電能計(jì)量IC無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能。