正如互聯網已連接人和組織一樣，物聯網（IoT）有望連接深層嵌入式設備和傳感器。然而，預計設備數量將達數十億，物聯網代表了一種新的環境，設備不斷地將數據流輸入到基于云的“大數據”應用程序進行分析，并直接響應來自這些應用程序和用戶的控制指令。在設備和云之間，物聯網網關可以聚合，分析和控制數據流以及為其提供數據的設備。同時，這些網關為用戶提供了更直接的渠道，通過智能手機和平板電腦上運行的簡單移動界面管理各種互連設備及其數據。

物聯網網關旨在將各種設備連接成一個內聚的控制和能源管理系統，從嵌入式傳感器擴展到基于云的應用。對于智能電表等能源設備，物聯網網關提供強大的本地處理能力，使設計人員能夠從智能電表中卸載應用程序代碼，并依賴于這些專用測量系統的更簡單，經濟高效的設計。工程師可以使用ADI公司，Atmel公司，Cirrus Logic公司，飛思卡爾半導體公司，Maxim集成公司，Microchip Technology公司，意法半導體公司和德州儀器公司等專業能源測量IC，MCU和MPU組合，創建具有成本效益的物聯網網關設計。

物聯網架構物聯網架構提供連接多種應用所需的各種連接選項，如智能電表，恒溫器，固態照明，智能家電等。物聯網網關至少提供Wi-Fi和以太網通信選項，以橋接這些設備與用戶（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的移動計算設備或以太網連接的計算機與設備交互，監控實時能耗并控制能源使用。

為了與無數外圍設備和傳感器進行交互，物聯網網關設計人員通常需要支持相應的多種連接選項，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。對于諸如預付費或移動設備配對的近場通信應用，網關設計者還將面臨支持藍牙和NFC（近場通信）協議的要求。

雖然網關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提升到簡單的多協議通信接口之上。作為物聯網網關系統的核心，功能強大的處理器可以在本地管理通信，執行信號處理和執行復雜的控制應用，而不需要來自云的詳細指令（圖1）。通常，這些系統依賴于全功能操作系統，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：典型的物聯網網關圍繞功能強大的處理器構建多個連接選項，能夠從下游設備卸載信號處理任務并執行控制應用程序，無需云的干預 - 基于應用程序（由德州儀器公司提供）。

對于大多數能源管理應用，智能電表和類似的能量測量子系統不可避免地作為關鍵要素，提供有關能源使用和實現能耗優化的信息。對于設計人員而言，由于需求趨向于更高級的功能，因此希望更精細地控制能量監控并改進與管理系統的集成，這導致這些測量系統的復雜性增加。

應用挑戰

與此同時，監管要求限制了可與能源測量功能相結合的應用的性質。因此，更復雜的能量測量系統已發展為在能量測量和應用處理之間分離功能（圖2）。

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

物聯網網關可以提供卸載專用能量測量應用所需的資源，同時依靠專用子系統進行能量測量。過去，能量測量子系統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簡化了能量監控設計。實際上，這些設備為集成能量測量功能打開了大門，旨在幫助消費者優化智能家電和白色家電的能耗。

在智能電表或電器能量監控器本身中，單芯片電能計量IC可以執行復雜的能量測量，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內核與高精度板載ADC和專用信號鏈相結合，旨在增強測量功能，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。通常，這些設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。 ADI公司的ADE5169包括一個高效的單周期8052 MCU內核以及一個用于能量測量的專用信號處理模塊（圖3）。與同類產品中的許多器件一樣，ADE5169包含一個片上LCD驅動器，旨在簡化設計并減少具有集成顯示器的專用能量管理單元的元件數量。

圖3：單芯片電能計量IC，例如ADI公司的ADE5169，將MCU內核與片上ADC和專用信號鏈相結合，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（由Analog Devices提供）。

這些設備提供多個串行和并行輸出端口，能夠將能量測量值直接傳輸到物聯網網關或通過相關的有線或無線通信子系統。反過來，物聯網網關可以執行所需的應用程序代碼，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。隨著物聯網網關的出現，能源管理架構師可以在不影響其提供更復雜應用的能力的情況下提高這些單芯片電表的效率。

結論

物聯網網關為能量測量設備提供了關鍵的聚合功能，這些設備不僅位于智能電表中，而且越來越多地位于耗能設備本身。更重要的是，這些網關基于能夠執行全功能操作系統和應用程序代碼的強大處理器。通過將應用程序處理卸載到物聯網網關，設計人員可以簡化能量測量系統的設計，依靠網關提供單芯片電能計量IC無法實現的應用功能。