运用人工智能与物联网提升空气调节系统的效能
空气调节（HVAC）通常是家庭中最耗能的系统，随着人工智能（AI）与物联网（IoT）技术的快速发展，将能够运用低功耗的传感器节点，来提升HVAC系统的效能。本文将为您介绍HVAC系统结合AI与IoT技术的发展趋势与相关的参考设计解决方案。
物联网将有助于降低HVAC运作成本
HVAC是家庭中最耗能的系统，约占近50%的建筑物总能耗。因此，采用高效的HVAC系统将可以显著减少建筑物能源的使用。采用手动控制的冷却器或加热器系统，通常会导致能源浪费，为了解决这些问题，具有人工智能并可与各种不同的物联网传感器配合使用的智能空气调节系统，将可以优化HVAC的运作，并实现显著的节电效能。
“物联网”是种将各种设备连接到互联网的技术，这种系统依赖于数据的收集，然后将数据用于监视、控制，以及通过互联网和不同的无线技术（包括Zigbee和BLE）将信息传输到其他设备。结合人工智能的判断，物联网设备可以在出现特定情况时自动激活特定操作，由于这些物联网设备相互连接，因此管理多个操作将变得更加容易。事实上，物联网家庭设备将有助于降低成本和能源消耗，并节省用户宝贵的时间。
面对市场上的巨大需求，艾睿电子的AI IoT业务开发团队，开发了一个为市场提供低功耗、小尺寸、高安全性、智能（人工智能能力），以及具有成本效益等关键功能的总体解决方案。
高度集成且具有成本效益的完整系统
这个IoT和HVAC系统中的控制部分采用了STMicro的STM32WB55无线MCU，该模块兼容多种协议，从点对点到网状网络，支持Bluetooth® LE 5.2与Bluetooth Mesh、OpenThread、Zigbee 3.0，以及开放的2.4GHz无线标准，具有出色的低电流消耗和内置安全功能。STM32WB55支持的外设包括I²C、USART、LP-UART、SPI、USB 2.0 FS设备支持电池充电检测，SAI、Quad-SPI、16位定时器（包括LPWM和低功耗定时器），可在1.7至3.6 V电压范围（DC/DC、LDO），以及-40℃至+105℃温度范围下运作。
STM32WB无线微控制器（MCU）具有双核M0+M4架构处理器和无线电收发器所构建的，结合在一个深度集成且具有成本效益的片上系统中。因此，STM32WB解决方案是实时和／或高能效应用之间的完美匹配。
在感测温度方面，采用了STMicro的数字环境温度传感器－STTS75，该数字温度传感器具有75 µA的低功耗和高达12位的分辨率，能够以高达0.0625℃的分辨率将温度数字化，以确保在-55至+125℃的整个工作范围内保持高精度。这个解决方案的其他功能还包括具有可选地址（最多8个）的I2C/SMBus输出、节能的一次性温度读取、用于中断或恒温器／比较器功能的专用引脚，以及具有滞后功能的可编程阈值等多样功能。
低功耗、电池长期运作的硬件设计
这个解决方案的硬件开发是针对低功耗、电池运作来进行设计，只需要使用2节AA电池，便可持续24个月的电池运作。为了达到这个目标，则必须采用各种低功耗组件，包括STMicro的数字温度传感器，具备75 µA的低功耗，分辨率高达12位，以及STMicro的双核射频MCU，具有2.1 µA的省电模式电流和5 µs的快速唤醒能力。此外，还须采用可在停止2模式（2.1 µA）执行RTC唤醒功能的Zigbee SED（休眠终端设备），以及在主机和客户端同步之间以6秒轮询方法运行。
另一方面，還需要採用具有Murata IRA-S200ST01A01 PIR传感器和Rohm BD9251FV放大器解决方案。这是一个极具成本效益选项的PIR解决方案，由Rohm BD9251FV放大器与Murata的2单元PIR传感器所组成，Rohm BD9251FV集成了传感器输出放大器、传感器输出比较器，并内置稳压器与移动探测器。它可以提供带方向信息的数字输出（左->右）/（右->左）。
此外还搭配ST VL53L5 ToF 8x8多区域测距传感器，具有4x4或8x8独立区域的多区域测距输出，可支持高达400 cm的测距。VL53L5默认处于低功耗模式，仅消耗45 µA功率，通过在系统中使用PIR，它会在检测到人体时唤醒TOF传感器。8x8 TOF传感器可用于减少误触发，估计人的位置及其移动方向，如果检测到的人类仅在指定方向移动，则可以通过添加智能（AI）功能来仅发送通知，从而进一步以减少发送不需要的通知来降低功耗。
支持跨协议栈与应用的OTA固件升级
在软件开发方面，可支持跨STM32WB M0（Zigbee堆栈）与M4（应用），以及主控MCU STM32L4（UI FW）的空中下載（OTA）固件升级。
此解决方案具备独立无线电活动能力，能够上传数据到网状网络或智能手机，支持无线电协议栈或应用固件的OTA，可在Arm Cortex-M0+上运行，具备节能模式，RAM与RTC运行时仅消耗2.1 µA，并可以5 µs的速度快速唤醒，主要的应用活动包括运算数据（传感器融合等）、具有高达64 MHz的灵活Arm Cortex-M4 CPU速度，支持具备CPU与闪存关闭的匹量数据采集模式（BAM），具有双CPU活动，功耗仅为50µA/MHz，无线电与应用均可独立运行，支持超级省电模式，关机时功耗小于50 nA，可节省电池的能量。
在省电功能上，为STM32WB器件具有FlexPowerControl功能，可提高电源模式管理的灵活性，并进一步降低总体应用功耗。运行模式可以支持运行在高达64 MHz的系统时钟，功耗仅为117 µA/MHz。STM32WB器件支持8种主要的低功耗模式，包括低功耗运行、睡眠、低功耗睡眠、停止0、停止1、停止2、具备保留RAM的待机、待机和关机的SHUTDOWN模式，每种模式都可以通过多种方式进行配置，从而提供多个额外的子模式。
该解决方案还使用STM32WB内置的开关电源（SMPS）做为数字核心和无线电LDO供电。SMPS支持动态切换，当VDD电源低于2.1 V时，它会自动切换到旁路模式，SMPS操作模式（开和关）将遵循设备模式，为了在ADC转换期间从SMPS中去除任何噪声，软件可能会实时切换SMPS模式。
该解决方案未来将进一步开发STM32WB支持SPI接口的160x128点TFT LCDM，或使用具有FMC（Flexible Memory Controller，灵活内存控制器）的主控MCU STM32L4x，以支持8080 16位并行接口的TFT LCDM。此外还将结合ST的MEMS麦克风MP34DT06，可透过BLE传输音频流，更可结合Murata Type 1YN Wi-Fi模块（CYW43439）做为BLE/Zigbee网关解决方案的Wi-Fi组件。
结语
运用AI与IoT技术可以有效提升HVAC系统的运作效率，由艾睿电子亚太区与STMicroelectronics合作设计的BLE/Zigbee IoT解决方案，将可为所有客户提供低功耗、成本效益高的解决方案，客户可以通过使用这个硬件和软件参考设计，来加快产品开发速度，并大幅缩短上市时间，有兴趣的客户可以与艾睿电子联系以得知更多细节。