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，這些網(wǎng)關(guān)為用戶提供了更直接的渠道，通過智能手機(jī)和平板電腦上運行的簡單移動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量系統(tǒng)的更簡單，經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計。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。

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，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，以橋接這些設(shè)備與用戶（以及云）之間的連接。因此，消費者可以簡單地使用其支持Wi-Fi的移動計算設(shè)備或以太網(wǎng)連接的計算機(jī)與設(shè)備交互，監(jiān)控實時能耗并控制能源使用。

為了與無數(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)計人員通常需要支持相應(yīng)的多種連接選項，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化的Z-Wave，和許多其他人。對于諸如預(yù)付費或移動設(shè)備配對的近場通信應(yīng)用，網(wǎng)關(guān)設(shè)計者還將面臨支持藍(lán)牙和NFC（近場通信）協(xié)議的要求。

雖然網(wǎng)關(guān)需要支持多種連接選項，但它們的本地處理能力可將這些系統(tǒng)提升到簡單的多協(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)行信號處理和執(zhí)行復(fù)雜的控制應(yīng)用，而不需要來自云的詳細(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） -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)建多個連接選項，能夠從下游設(shè)備卸載信號處理任務(wù)并執(zhí)行控制應(yīng)用程序，無需云的干預(yù) - 基于應(yīng)用程序（由德州儀器公司提供）。

對于大多數(shù)能源管理應(yīng)用，智能電表和類似的能量測量子系統(tǒng)不可避免地作為關(guān)鍵要素，提供有關(guān)能源使用和實現(xiàn)能耗優(yōu)化的信息。對于設(shè)計人員而言，由于需求趨向于更高級的功能，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)致這些測量系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。

應(yīng)用挑戰(zhàn)

與此同時，監(jiān)管要求限制了可與能源測量功能相結(jié)合的應(yīng)用的性質(zhì)。因此，更復(fù)雜的能量測量系統(tǒng)已發(fā)展為在能量測量和應(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的處理器為能量測量和能源管理應(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量應(yīng)用所需的資源，同時依靠專用子系統(tǒng)進(jìn)行能量測量。過去，能量測量子系統(tǒng)將用于能量測量的單獨模擬前端與用于功率計算的嵌入式處理器相結(jié)合。通過將模擬前端和處理器組合到單個芯片中，能量計量IC簡化了能量監(jiān)控設(shè)計。實際上，這些設(shè)備為集成能量測量功能打開了大門，旨在幫助消費者優(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，單芯片電能計量IC可以執(zhí)行復(fù)雜的能量測量，但通常缺乏更高級功能所需的性能。單芯片電能計量IC通常將MCU內(nèi)核與高精度板載ADC和專用信號鏈相結(jié)合，旨在增強(qiáng)測量功能，同時最大限度地減少外部元件。工程師可以找到測量電力線特性并報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，可測量線電壓和電流并計算能量參數(shù)。通常，這些設(shè)備包括額外的溫度輸入以及對額外傳感器輸入的支持，以及用于篡改檢測的專用端口。

在這些器件中，MCU/DSP內(nèi)核用作功率計算引擎，分析電壓，電流和相位，以計算有功電能，無功電能和功率因數(shù)。 ADI公司的ADE5169包括一個高效的單周期8052 MCU內(nèi)核以及一個用于能量測量的專用信號處理模塊（圖3）。與同類產(chǎn)品中的許多器件一樣，ADE5169包含一個片上LCD驅(qū)動器，旨在簡化設(shè)計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：單芯片電能計量IC，例如ADI公司的ADE5169，將MCU內(nèi)核與片上ADC和專用信號鏈相結(jié)合，用于計算特性包括有功功率，無功功率和電源線電壓，電流和相位測量的功率因數(shù)（由Analog Devices提供）。

這些設(shè)備提供多個串行和并行輸出端口，能夠?qū)⒛芰繙y量值直接傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或通過相關(guān)的有線或無線通信子系統(tǒng)。反過來，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。通過將應(yīng)用程序處理卸載到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，設(shè)計人員可以簡化能量測量系統(tǒng)的設(shè)計，依靠網(wǎng)關(guān)提供單芯片電能計量IC無法實現(xiàn)的應(yīng)用功能。