物联网的能量测量系统设计

正如互联网已连接人和组织一样，物联网（IoT）有望连接深层嵌入式设备和传感器。然而，预计设备数量将达数十亿，物联网代表了一种新的环境，设备不断地将数据流输入到基于云的“大数据”应用程序进行分析，并直接响应来自这些应用程序和用户的控制指令。在设备和云之间，物联网网关可以聚合，分析和控制数据流以及为其提供数据的设备。同时，这些网关为用户提供了更直接的渠道，通过智能手机和平板电脑上运行的简单移动界面管理各种互连设备及其数据。

物联网网关旨在将各种设备连接成一个内聚的控制和能源管理系统，从嵌入式传感器扩展到基于云的应用。对于智能电表等能源设备，物联网网关提供强大的本地处理能力，使设计人员能够从智能电表中卸载应用程序代码，并依赖于这些专用测量系统的更简单，经济高效的设计。工程师可以使用ADI公司，Atmel公司，Cirrus Logic公司，飞思卡尔半导体公司，Maxim集成公司，Microchip Technology公司，意法半导体公司和德州仪器公司等专业能源测量IC，MCU和MPU组合，创建具有成本效益的物联网网关设计。

物联网架构物联网架构提供连接多种应用所需的各种连接选项，如智能电表，恒温器，固态照明，智能家电等。物联网网关至少提供Wi-Fi和以太网通信选项，以桥接这些设备与用户（以及云）之间的连接。因此，消费者可以简单地使用其支持Wi-Fi的移动计算设备或以太网连接的计算机与设备交互，监控实时能耗并控制能源使用。

为了与无数外围设备和传感器进行交互，物联网网关设计人员通常需要支持相应的多种连接选项，包括用于智能电表的ZigBee和电力线通信，或用于照明控制和自动化的Z-Wave，和许多其他人。对于诸如预付费或移动设备配对的近场通信应用，网关设计者还将面临支持蓝牙和NFC（近场通信）协议的要求。

虽然网关需要支持多种连接选项，但它们的本地处理能力可将这些系统提升到简单的多协议通信接口之上。作为物联网网关系统的核心，功能强大的处理器可以在本地管理通信，执行信号处理和执行复杂的控制应用，而不需要来自云的详细指令（图1）。通常，这些系统依赖于全功能操作系统，例如运行在基于ARM®Cortex™A系列处理器的Linux上，例如基于Texas Instruments Sitara AM335x ARM Cortex-A8处理器或Freescale Semiconductor i.MX 6SL（单个） -core）或基于ARM Cortex-A9的处理器的i.MX 6DL（双核）。

图1：典型的物联网网关围绕功能强大的处理器构建多个连接选项，能够从下游设备卸载信号处理任务并执行控制应用程序，无需云的干预 - 基于应用程序（由德州仪器公司提供）。

对于大多数能源管理应用，智能电表和类似的能量测量子系统不可避免地作为关键要素，提供有关能源使用和实现能耗优化的信息。对于设计人员而言，由于需求趋向于更高级的功能，因此希望更精细地控制能量监控并改进与管理系统的集成，这导致这些测量系统的复杂性增加。

应用挑战

与此同时，监管要求限制了可与能源测量功能相结合的应用的性质。因此，更复杂的能量测量系统已发展为在能量测量和应用处理之间分离功能（图2）。

图2：先进的智能电表使用单独的处理器为能量测量和能源管理应用软件提供复杂功能（德州仪器公司提供）。

物联网网关可以提供卸载专用能量测量应用所需的资源，同时依靠专用子系统进行能量测量。过去，能量测量子系统将用于能量测量的单独模拟前端与用于功率计算的嵌入式处理器相结合。通过将模拟前端和处理器组合到单个芯片中，能量计量IC简化了能量监控设计。实际上，这些设备为集成能量测量功能打开了大门，旨在帮助消费者优化智能家电和白色家电的能耗。

在智能电表或电器能量监控器本身中，单芯片电能计量IC可以执行复杂的能量测量，但通常缺乏更高级功能所需的性能。单芯片电能计量IC通常将MCU内核与高精度板载ADC和专用信号链相结合，旨在增强测量功能，同时最大限度地减少外部元件。工程师可以找到测量电力线特性并报告各种能量特性的设备。

此类器件包括Microchip Technology MCP3905A，STMicroelectronics STPM01，Maxim Integrated 78M6610，Cirrus Logic CS5467和Atmel ATM90E32AS，可测量线电压和电流并计算能量参数。通常，这些设备包括额外的温度输入以及对额外传感器输入的支持，以及用于篡改检测的专用端口。

在这些器件中，MCU/DSP内核用作功率计算引擎，分析电压，电流和相位，以计算有功电能，无功电能和功率因数。 ADI公司的ADE5169包括一个高效的单周期8052 MCU内核以及一个用于能量测量的专用信号处理模块（图3）。与同类产品中的许多器件一样，ADE5169包含一个片上LCD驱动器，旨在简化设计并减少具有集成显示器的专用能量管理单元的元件数量。

图3：单芯片电能计量IC，例如ADI公司的ADE5169，将MCU内核与片上ADC和专用信号链相结合，用于计算特性包括有功功率，无功功率和电源线电压，电流和相位测量的功率因数（由Analog Devices提供）。

这些设备提供多个串行和并行输出端口，能够将能量测量值直接传输到物联网网关或通过相关的有线或无线通信子系统。反过来，物联网网关可以执行所需的应用程序代码，为用户提供超出单芯片电能计量IC本身功能的额外能源管理功能。随着物联网网关的出现，能源管理架构师可以在不影响其提供更复杂应用的能力的情况下提高这些单芯片电表的效率。

结论

物联网网关为能量测量设备提供了关键的聚合功能，这些设备不仅位于智能电表中，而且越来越多地位于耗能设备本身。更重要的是，这些网关基于能够执行全功能操作系统和应用程序代码的强大处理器。通过将应用程序处理卸载到物联网网关，设计人员可以简化能量测量系统的设计，依靠网关提供单芯片电能计量IC无法实现的应用功能。