AIoT 即人工智能 (AI) 與物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的結(jié)合，是電子行業(yè)非常具有前景的新技術(shù)之一。據(jù)某 IC 制造商預(yù)測(cè)，未來(lái)十年內(nèi)，該技術(shù)將成為微處理器市場(chǎng)中最大的細(xì)分市場(chǎng)。

IPv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本 6）的逐步普及將為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開辟出難以想象的巨大地址空間，地址的數(shù)量甚至足以為地球上的每一粒沙子分配多個(gè)不同的地址，這意味著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量在實(shí)際應(yīng)用中將不再受到任何限制。隨著智慧城市、智能工業(yè)、智能交通和智能家居等新概念的應(yīng)用，將有數(shù)十億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)。然而，問題也將隨之出現(xiàn)。十億臺(tái)設(shè)備同樣令人難以想象。一百萬(wàn)秒相當(dāng)于 12 天，但十億秒則相當(dāng)于 31 年。想象一下，如果有數(shù)十億臺(tái)傳感器在傳輸數(shù)據(jù)或請(qǐng)求指令會(huì)是什么景象。龐大的信息流量會(huì)使任何遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器或 SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)不堪重負(fù)。

此時(shí)就需要 AI 發(fā)揮作用。AIoT 的目標(biāo)很簡(jiǎn)單，就是讓大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)變得易于管理。智能的自組織系統(tǒng)可形成本地處理循環(huán)，其中，無(wú)需高層級(jí)干預(yù)即可收集和分析來(lái)自多臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)采取行動(dòng)（圖 1）。

圖 1：AIoT 概念示意圖

數(shù)據(jù)的收集和傳輸由物聯(lián)網(wǎng)完成，而對(duì)數(shù)據(jù)的分析或“洞察”則由機(jī)器學(xué)習(xí)或 AI 系統(tǒng)完成。機(jī)器學(xué)習(xí)或 AI 系統(tǒng)可以獨(dú)立進(jìn)行模式識(shí)別，做出預(yù)測(cè)并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

AIoT具有諸多優(yōu)勢(shì)，如提高可擴(kuò)展性和減少數(shù)據(jù)通信量（可以添加更多的傳感器而不會(huì)使系統(tǒng)超負(fù)荷）、通過“邊緣計(jì)算”實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模式識(shí)別（繁重的“大量數(shù)字運(yùn)算”工作在傳感器網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”本地完成，只有結(jié)果和系統(tǒng)概覽數(shù)據(jù)集需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸）、縮短反應(yīng)時(shí)間（幾分之一秒而不是幾秒）和大大提高容錯(cuò)性（機(jī)器學(xué)習(xí)可以識(shí)別哪些數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失，并使用物聯(lián)網(wǎng)本身的故障檢測(cè)協(xié)議來(lái)繞過有問題的節(jié)點(diǎn)）等，最重要的一點(diǎn)是，可以減少人為錯(cuò)誤。

這些優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)許多“智能”系統(tǒng)全面創(chuàng)新，從持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別事故、讓應(yīng)急車輛優(yōu)先通行并優(yōu)化公共交通的智能城市，可以優(yōu)化電網(wǎng)平衡、負(fù)荷分擔(dān)以及將可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)集成到系統(tǒng)中的智能電網(wǎng)，到使用可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)醫(yī)療緊急情況的智能醫(yī)療，再到實(shí)現(xiàn)有效的及時(shí)供應(yīng)鏈管理、優(yōu)化的生產(chǎn)線和基于狀態(tài)的維護(hù)等的智能工業(yè)等等，都會(huì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

與所有復(fù)雜的交互式大規(guī)模系統(tǒng)相同，操作可靠性變得至關(guān)重要。機(jī)器學(xué)習(xí)分析和本身具有容錯(cuò)能力的物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì) AIoT 技術(shù)至關(guān)重要，但電子設(shè)備的可靠供電也不容忽視。

有人認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器可以通過長(zhǎng)壽命電池或能量收集系統(tǒng)供電。他們認(rèn)為，可以從太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)電機(jī)TEG 或振動(dòng)傳感器中獲取充足的能量來(lái)為超級(jí)電容器充電或直接為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)答器供電。然而，根據(jù)多次設(shè)計(jì)和研究能量收集項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，我認(rèn)為這種想法不切實(shí)際。環(huán)境中并不存在足夠可靠的能量供人們收集，來(lái)為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器供電。至于使用電池，同樣行不通。保守假設(shè)，如果有 100 萬(wàn)臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，使用壽命為 10 年的電池時(shí)，每天需要更換 275 個(gè)電池，換句話說(shuō)，大約每?jī)煞昼娋托枰鼡Q一次電池才能保證正常工作。 AC/DC電源單元不僅是傳感器、執(zhí)行器、處理器和網(wǎng)關(guān)的可靠電源，添加數(shù)字通信接口后，它還將成為整個(gè) AIoT 系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。幸運(yùn)的是，目前已經(jīng)存在一種成功且經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)字電源通信和控制系統(tǒng)架構(gòu)，即電源管理總線 (PMBus)。PMBus 是應(yīng)用廣泛的 I2C（互聯(lián)集成電路）協(xié)議的擴(kuò)展，后者主要用于數(shù)字 IC 之間的板載通信。與 I2C 類似，PMBus 也是 2 線制串行接口，只需傳輸數(shù)據(jù) (SDA) 和時(shí)鐘 (SCL) 信號(hào)，因此成本較低且易于實(shí)現(xiàn)，這是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。同時(shí)，該協(xié)議還具有一些附加命令，專門設(shè)計(jì)用于電源監(jiān)測(cè)和控制，以及執(zhí)行 PEC（數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查）以確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸未被損壞。

PMBus協(xié)議非常適用于 AIoT 應(yīng)用，原因在于，PMBus 不僅可以遠(yuǎn)程開關(guān)數(shù)字電源或?qū)⑵渲糜诖龣C(jī)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，還提供附加命令集來(lái)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)輸出電壓、設(shè)置電流和功耗限值、監(jiān)測(cè)交流輸入線路和電源溫度，以及查詢內(nèi)部存儲(chǔ)器來(lái)獲取當(dāng)前和之前的錯(cuò)誤代碼和庫(kù)存信息。如與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，支持 PMBus 的電源在整個(gè) AIoT 系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用，可提供有用的監(jiān)測(cè)和報(bào)警數(shù)據(jù)（圖 2）。

圖 2：RACM1200-V 電源監(jiān)測(cè)信號(hào)和時(shí)序

PMBus協(xié)議有許多非常強(qiáng)大的功能，其中之一是具有快速配置命令。舉例來(lái)說(shuō)，在電源從恒壓模式切換到恒流或恒功耗模式之前的負(fù)載限值可以通過外部命令設(shè)置或強(qiáng)制更改。例如，如果機(jī)器學(xué)習(xí) AI 算法預(yù)測(cè)即將出現(xiàn)負(fù)載峰值，可以對(duì)電源進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，以便更好地處理臨時(shí)過載，而無(wú)需將其關(guān)閉。通常，智能風(fēng)扇功能是指電源本身能夠控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在負(fù)載或溫度較低時(shí)可以將風(fēng)扇關(guān)閉，從而節(jié)省能源、降低噪音以及延長(zhǎng)風(fēng)扇的使用壽命，在負(fù)載增加時(shí)也可以逐漸提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

如果 AI 識(shí)別出某種負(fù)載模式，以電池充電站為例，如果定期使用且在兩次滿負(fù)載充電之間只間隔很短的時(shí)間，AI 會(huì)在不工作時(shí)段關(guān)閉風(fēng)扇，以保持較高的溫度并減少電源中的熱循環(huán)。相較于因反復(fù)升溫和降溫而引起的連續(xù)熱循環(huán)，穩(wěn)定保持在較高工作溫度時(shí)，對(duì)電源中的電子組件產(chǎn)生的應(yīng)力通常較小。

如前文所述，PMBus 由 I2C 總線擴(kuò)展而來(lái)，這就引入了一個(gè)重大缺陷。控制器只會(huì)將信號(hào)線拉低，以便電源可以選擇將時(shí)鐘線或數(shù)據(jù)線拉低來(lái)獲得總線的控制權(quán)，從而將信息發(fā)送回控制器。這意味著，在無(wú)任何單元均處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，PMBus 需要依靠上拉電阻來(lái)將串行信號(hào)線拉高（圖 3）。雖然 PMBus 協(xié)議支持在一條控制線上有多達(dá) 127 個(gè)獨(dú)立地址，但如果將這么多的設(shè)備連接到同一條總線上，總線的組合電容會(huì)減慢信號(hào)的上升時(shí)間，導(dǎo)致其無(wú)效。

圖 3：PMBus 信號(hào)

每條線都只能被拉低，從而需要依靠上拉電阻將信號(hào)線上拉回至 VDD。隨著總線電容增加，信號(hào)上升時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

如有更多支持 PMBus 的電源要共用一條總線，則需要將這些電源分組，比如將 16 個(gè)智能電源分為一組，它們通過低成本的 PMBus 中繼器 IC 進(jìn)行通信。這些緩沖器 IC 具有約 6 pF 的極低輸入電容，因此有助于充分利用 PMBus 的整個(gè)地址空間而不會(huì)導(dǎo)致總線過載，即使電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)也是如此。它們可以由目標(biāo)電源的一個(gè)“始終有效”輸出供電，該輸出屬于低功耗 5V 輸出，即使在市電電源級(jí)斷電時(shí)也能保持有效（圖 4）。該“始終有效”的輸出還可以提供充足的電流來(lái)為其他設(shè)備供電，例如，為長(zhǎng)距離 (LoRa) 收發(fā)器電路供電，從而在數(shù)千米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，即使在建筑密集的市中心區(qū)域或在嘈雜的工業(yè)工廠中也能實(shí)現(xiàn)。

圖 4：PMBus 中繼器 IC 由“始終有效”的 5V 輔助輸出供電

支持總線管理功能的電源具有接口連接器以及市電電源 DC 輸出端子（圖 5）。數(shù)字接口的優(yōu)勢(shì)在于可以提供更全面的警報(bào)、故障和報(bào)警指示信號(hào)，以輔助 AI 在決策過程中做出判斷。例如，RACM1200-V 內(nèi)置多色狀態(tài) LED 燈，可以指示交流輸入故障、直流輸出偏低、即將出現(xiàn)過熱、因過溫關(guān)閉、過載和直流故障狀態(tài)，但數(shù)字總線接口還增加了與輸出電壓范圍、負(fù)載電流監(jiān)測(cè)和過載狀態(tài)相關(guān)的可編程預(yù)警限值，這使得 AI 系統(tǒng)有充足的時(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)極端溫度或故障狀態(tài)，便于電源進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

綜上所述，AIoT 是一種令人期待的新型支撐技術(shù)，在未來(lái)十年中，該技術(shù)將為我們帶來(lái)諸多益處，在不知不覺中以各種方式改善我們的生活。作為全球領(lǐng)先的 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商之一，RECOM 已經(jīng)開始推動(dòng)這一創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，著手設(shè)計(jì)和制造帶有數(shù)字 PMBus 接口的電源，以便將其無(wú)縫集成到 AIoT 系統(tǒng)中。

審核編輯：湯梓紅