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作者：Maxim Integrated 能源方案產品線執行總監Kris Ardis 物聯網無處不在...是真的嗎？ 下一個技術時代將是物聯網(IoT)1，如果真是這樣，說明您輕信了從互聯網上看到的一切。據稱，技術將非常便宜，我們將連接一切。遍布整個房子的智能傳感器將使您能夠監測和控制那里發生的一切，遍布全城的智能傳感器將更好地管理社區。是的，物聯網指日可待。 果真如此嗎？智能家居已經嚷嚷了幾十年，但我仍然用三個遙控器觀看電影，用第四個遙控器切斷電纜；智能電網本來規劃現在應該在全球許多地方部署完成，但已經屢屢推遲部署；據說下一波是智能城市，但我真的應該期待美國的主要城市會很快部署大量智能交通傳感器嗎？ 真實情況是IoT已經到來...在某種程度上。我們看到的是利用較智能的傳感器連接在一起的早期例子，這些傳感器位于稀稀疏疏的多個場所。政策驅動的舉措，例如智能電網，正在推進，盡管速度慢于預期；消費驅動的傳感器，例如NEST2或Belkin3的產品，正在步入家庭，或者已經出現在家庭中。然而，無處不在的IoT，坦白地講，僅僅是炒作而已。談論的所有內容都要經得起質疑。實際上，只有投資回報(ROI)具有財務意義時，物聯網才有意義；而只有管理寶貴的資源時，ROI才會有意義。 我們會問，通過增加智能化來管理智能傳感器和系統，將使什么樣的資源最為受益？也許更重要的是，什么樣的傳感器和技術能夠為IoT帶來信息？本文討論我們這個星球上最受益于智能化檢測IoT網絡的兩項最關鍵資源：電力和水。 政策驅動的IoT 我們首先看一下自上而下驅動的IoT部署：有些政府政策要求的機器對機器通信系統。最明顯的例子是智能電表和更大的智能電網。部署智能電網的原因有很多，根據地區不同而不同，但智能電網的好處在社會層面則更為明顯。 智能電網通過實時定價使我們更好地管理地球上的稀缺能源，提供需量響應信號來管理負載，更好地控制非技術性能源損耗，以及改進斷電的響應時間。面對電力需求的不斷增長(圖1)，智能電網提供了管理負載的更好方法，限制為全球供電所需的新型及昂貴發電總量的更好方法，以及教育甚至培訓消費者成為負責任能源用戶的更好方法。注意，對于個體消費者，購買和安裝一只智能電表幾乎毫無意義。對于消費者，安裝電表時可能會觸電是一個非常現實的安全問題。而且，由于數據來自于地區內的所有消費者，所以某一個消費者的數據對電力公司和發電機而言幾乎是沒有意義的。實際上，只有當整個地區的用戶使用該項技術并參與到相同的IoT網時，智能電網的優勢才有意義。 
圖1. 在未來二十年，世界將面臨嚴峻的能源需求挑戰。 政策驅動IoT的另一個類似例子是智能水表。同樣，社會問題不會馬上體現在個體層面。沒錯，對于我們每個人，清潔、經過處理的水是一種寶貴的日用品，但我們大多數人使用(浪費)的水可能超出我們所需。但個體層面的水浪費可能不值得關注。但是，全體浪費的水相當顯著：包括給水系統和家庭本身，這值得我們注意。 傳統的機械式水表不能檢測到與家庭正常泄漏相關的低流量，而泄漏每月可造成數千加侖的水“損耗”，并且年復一年。此外，機械水表檢測大量故障泄漏的質量非常差。作為一個消費者，我們可能不會注意到自動噴淋滅火系統的泄漏，直到連續幾個月水費大漲。應該怎么做？我們確實不能控制和改進自己水表的智能化。實際上，將這些水表更換為智能水表需要專業知識，并且當我們能夠完整監測整個地區的給水情況時，同樣是社會效益最為顯著。 注意，在這兩個例子中，政府或公共事業部門的政策驅動智能IoT的部署。存在問題的寶貴資源(例子中的電和水)是相當稀缺的，更智能的傳感器IoT網絡能夠更好地管理一切，不一定非得帶來新的直接效益。當今的現實是消費者很大程度上與公共事業單位的能力限制脫鉤，直到發生災難性的事件，例如斷電或斷水。所以，部署傳感器網絡的動力需要政策驅動。 消費驅動的IoT 政府或部門政策并不是驅動機器對機器網絡的唯一動力。常見無線通信基礎設施(例如我們的蜂窩電話和家中的WiFi系統)的涌現已經為消費者-通過驅動網絡-來控制設備創建了大量機會：相對于以上所述的自上而下的政策驅動網絡，機器和機器是個自下而上的消費需求驅動的網絡。 ST溫度監控器就是消費IoT設備的最佳例子之一。沒有部門政策要求NEST進入市場。相反，我們消費者被外觀漂亮、直觀并承諾能夠更好地管理加熱和冷卻費用、短時間內給我們帶來投資回報的家電所吸引。也許最重要的是，只需消費者和設備之間很少的互動，即可獲得ROI。用時下流行的話就是：“不要讓我動腦子”，NEST已經開發了一款管理寶貴資源的產品，其提供ROI的方式就是每月的賬單更低，這是個體消費者看得見摸得著的。 Belkin也正在利用類似的方法兌現智能家居的承諾。與要求用戶部署大而復雜的家庭控制系統相比，Belkin允許用戶每次改善一點。其WeMo產品包括照明開關、帶開關的電源插座，甚至是電能測量插座(圖2和3)。每款產品利用移動設備上的簡單接口來監測和配置網絡。利用簡單的命令，例如“turn the light on at 5 p.m.”(在下午5點打開電燈)，即可很容易地配置照明開關和電源插座開關。電能測量開關(WeMo Insight)顯示設備消耗的費用(不是電能！)是多少。這些智能化產品為我們提供了真正的“洞察”能力，從而制定家庭用電決策。充分利用家庭WiFi網絡和移動設備的優勢，Belkin產品使消費者更容易監測和管理耗能電氣設備。
圖2. Belkin WeMo Switch墻壁插座。以無線方式控制電視、照明燈、立體聲音響、加熱器、風扇等。該智能開關具有Maxim Integrated的78M6610+LMU器件中的能源計量技術。
圖3. 利用Belkin WeMo Insight Switch，您可以將設備打開及關閉、定制通知以及更改設備狀態——從世界上任何地方。 消費驅動IoT的一個較新例子是智能停車系統。正在美國全國范圍內開展的試點項目利用傳感器網絡檢測人口密集城區的開放停車空間。然后將該數據與移動設備分享，應用程序可將您導航至最佳停車位置。當然，這種傳感器部署涉及到商業問題，因為這基本上可作為停車場的“廣告”，并潛在地提高了利用率。但這里管理的真正資源(以及我們愿意為此項服務付費的原因)是時間。這種IoT停車系統將大幅縮短我們在洛杉磯、芝加哥、紐約及其它任何繁華大都市的停車時間。 資源面臨的挑戰是什么？ 所有這些例子中，有一些共同的主題。其中之一是需要網絡技術來連接顯示世界的智能傳感器，以共享信息和/或制定決策。第二，所有例子都專注于改善對關鍵及昂貴資源的管理：電、水和時間。 這些資源受限的事實得到了數據的大力支持。2010年全球消耗了20,200太瓦時(TWh)電能，預計到2040年將達到39,000TWh，每年的電能需量增長為2.2%。假如一個煤電廠的容量為300MW，那么每年需要增加170座煤電廠才能滿足全球容量增長需要。如果每座煤電廠的費用大約為10億美金，這就意味著每年電能容量的投資至少為1700億美金(更不要說日常維護費用)。注意，這里為了討論方便，我們簡化了問題，因為真正驅動新容量需求的是峰值需量，而不是平均功耗。無論哪種情況，數據都說明我們需要穩定增加昂貴的電能，以滿足不斷增長的需求。智能電網承諾幫助我們更好地平衡能耗，以降低峰值需量，意味著我們可延遲或節省大幅的容量投資。 如果一段時間沒有電，我們依然能夠存活；但水的限制可能更為可怕，因為給水缺口將直接威脅我們的生命。作為一個星球，我們必定面臨著將水送到任何所需地方的挑戰。但當前的給水系統由于泄露的原因加劇了這一挑戰。水從清潔到交付的這段時間，給水系統及家庭中的損耗非常巨大...在世界欠發達地區超過50%。據EPA的消息，美國每個家庭每年平均泄漏10,000加侖的水。消費者提高警惕性可很大程度上解決問題，但更為重要的是，需要更好的本地或地區水計量技術來識別原始泄漏源。 我們這里最后討論的一個關鍵資源是時間。時間當然也緊缺，因為每個人的一天甚至一生中的時間是有限的。當我們開車四處尋找停車位時，時間和燃油一直在浪費。同時我們也造成了更大的交通流量，耽誤其它駕駛者的行程，浪費更多的能源(和時間！)。 IoT：幫助拯救世界(一時間受限的資源) 進入IoT。其使命是拯救世界。也許這有點兒夸張，但在ROI定義明確的 領域——寶貴資源具有獲得效率增益的良好機會，智能傳感器網絡可幫助我們理解和應對問題。這正是為何我們遲早將看到IoT大規模部署的理由。 所以我們需要一個傳感器網絡。在網絡側，已有的選項有：ZigBee、Wi-Fi、蜂窩、電力線、Bluetooth——大量已有技術能夠為IoT需要的數以十億的傳感器提供“聲音”。所以，皮球又踢向傳感器。為了更好地監測電和水消耗，我們需要高性價比、小體積的電表和水表。沒錯，雖然您可能已經見過電表和水表。很少有人注意到它們的高性價比或體積小巧到足以部署于大量的消費點。 IoT和電表 為了監測能源消耗，我們不需要更換傳統的電表。相反，我們真正需要的是一種能增加至已有應用的現成測量方案。合適精度(1%或更優)的電能測量已經是一門專業學科。所以，我們現在真正需要的是使我們能夠檢測能源消耗的看守方案。一種可能的方案是傳感器制造商在通信模塊外部增加一個電流變壓器和一個可編程電能測量IC，例如78M6610_LMU。電流變壓器用于電能測量，盡管效率高，但可能不滿足我們的“高性價比、小體積”要求。 盡管電流變壓器是最常見的能耗測量方案的傳感器，但體積大、成本高。分流器的成本低、重量輕，但與已有系統集成困難。連接至分流器意味著直接連接至電源的交流電力線。首先要用光耦隔離，然后在測量系統所在的一側需要附加電源。這一步驟與最初采用分流器節省成本和空間的初衷相違背。市場上現在具有少數高精度測量方案，例如MAX78615/78700芯片組，解決了這個問題，提供隔離且無需構建附加電源即可進行測量。 IoT和水表 擴展水耗傳感器網絡是一項更大的挑戰。智能插頭，例如上例中介紹的Belkin，能夠快速普及的原因是安裝非常簡單，并且安裝之后難以覺察。但智能水表就刺眼得多。想象一下智能插頭大小的裝置綁在浴缸進水口、花灑水管或臉盆水龍頭上的樣子。現在，這種裝置的大小會使它礙手礙腳。 對智能水表發展的一個更大威脅實際上是市場上普遍使用的機械式水表。當今大多數水表中有一個隨水流旋轉的渦輪。這種物理裝置笨重且不精確。甚至更糟糕的是，這些機械式水表不能檢測到與“典型泄露家庭”相關的流量。許多所謂的“智能”水表僅僅利用一個小型微控制器計算渦輪轉數，然后通過無線網絡發送數據。幸運的是，有新技術可消除水表中的機械部件，允許設計較新的高可靠性智能水表，縮小尺寸，提高測量精度(尤其是低漏泄率時)，能夠進入更多的潛在家庭。 超聲流量計量技術，曾一度專用于給水系統或工業流量監測系統中使用的昂貴水表，現在可用于公共事業水表或其它流量應用。超聲流量檢測使用硅與兩個壓電元件配合工作：一個傳感器將一個脈沖發送至另一個傳感器(反之亦然)。脈沖傳輸時間差表示液體或氣體的流速。利用超聲計量技術，我們能檢測到極低的流量，甚至流量小到“典型泄露家庭”都行。但這種測量很復雜，我們需要特殊的硅傳感器，以便檢測一個家庭中的平均漏泄水平。 看起來水流量傳感器變得像智能插頭那樣普及還有很長的路要求。盡管如此，即使少數用戶更換房屋內的分戶水表，社會也會從中受益。我一定會有興趣知道洗一次碗要消耗多少水。保持游泳池的水位需要多少水？(也許我該買一個蒸發屏？)在給水系統中更大規模地部署水流量傳感器的好處甚至更為誘人。也許我們能檢測并修復為給家庭供水而引起的大幅損耗。 IoT和時間 不幸的是，傳感器網絡和節省時間之間好像沒有明顯的一對一關系。以上提及的停車問題可能只需接近檢測或重量傳感器網絡即可解決——現在有汽車在上邊嗎？但試想一下我們許多人都面臨的另一種麻煩情況。當“電池電量低”報警聲在家中響起但又不能指出具體位置時，我花費數十分鐘的時間來判斷到底是哪個煙霧探測器電池損壞，那是什么樣的情況？當然，我通常在凌晨3點查找懷疑有問題的煙霧探測器。本例中，在網絡中增加一個簡單的電壓檢測器，即可快速判斷哪個裝置需要注意。 安全挑戰 傳感器能拯救世界。我認為這點值得商酌。但可以確定的是，智能傳感器網絡能夠使世界效率更高、浪費更少、管理得更好。在有些地區，水和電網絡已經在部署之中。然而，這些網絡面臨一項新的挑戰，有一種陰險、兇惡的力量可將IoT鎮壓和扼殺在襁褓之中。這個問題就是安全性。 當我們部署更多的智能傳感器來收集數據，以及允許更多的機器開始為我們做決策，安全威脅隨之大幅增大。試想一下，如果一個虛假信號造成數以千計的消費者(或其智能機器)增加耗電，如將空調設定溫度調低、打開烘干機、啟動游泳池水泵，或者僅僅是同時啟動所有電器，將會是什么情形？如果智能電網在炎熱的夏天已經在滿負荷運行，攻擊者的虛假信號引起的額外負荷將會造成電網崩潰。 想象一下智能停車應用面臨的類似情況。假如攻擊者提示應用程序報告在繁華大都市的黃金地段有大量開放停車位，可能會造成大量駕駛者駛向一個位置。如果隨之而來的擁堵使警察難以響應當地的銀行搶劫事件，會發生什么情況？ 這些都是災難性情景，但真的離我們很遠嗎？電、水、時間——這些寶貴的資源對我們至關重要，但對黑客又何嘗不是如此呢？黑客也許是愛搞惡作劇的人，也許是試圖破壞這些資源和社會的冷血恐怖分子。歸根結底，IoT的最大價值(管理寶貴資源)也可能是其本身的掘墓人(不能保護這些寶貴資源)。現在有嵌入式技術可提供對IoT至關重要的安全性，保護智能電網及組成IoT的傳感器網絡。但是，有安全技術可用并不意味著它能自動部署。服務供應商有責任要求其IoT中的傳感器提供最高水平的安全性。 總結 IoT描繪了一幅美好圖畫——全球大量智能傳感器網絡，監測著我們星球上最寶貴的資源。水和電可能是廣泛部署傳感器網絡的首選也是最佳選擇，因為地球上的每個人都需要水和電。如果擁有高效、安全的水和電網，我們將發現我們能夠節省時間、精力、金錢，以及資源本身。改善我們的時間利用率，將持續提供創新的土壤和開發附加傳感器技術的動力，以提供數據幫助我們節約時間。 遺憾的時，由于內在價值的原因，這些IoT網絡對網絡攻擊者尤其具有吸引力。我們必須保證IoT數據和運行安全，否則IoT中傳感器網絡帶來的眾多利益將灰飛煙滅。 參考 1 關于IoT的基本說明，可參考：http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things。 2 關于NEST的信息，請參考：https://nest.com/。 3 關于Belkin的信息，請參考：http://www.belkin.com/us/。 |
