如何實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的傳感器節(jié)點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2019-12-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán),用于感知和采集溫度、濕度、距離、液位等數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍(lán)牙低功耗(BLE)、ZigBee、Sigfox等聯(lián)接協(xié)議傳輸和匯總數(shù)據(jù),進(jìn)而通過專用軟件解析這些數(shù)據(jù)并采取行動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化、預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療護(hù)理、分析物聯(lián)網(wǎng)世界海量數(shù)據(jù)等應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速增長(zhǎng),對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)男枨笤絹碓礁?,將成為?xiàng)目可持續(xù)性的重大問題??煽紤]設(shè)計(jì)超低功耗的嵌入式硬件平臺(tái)、能量采集的自供電、智能系統(tǒng)級(jí)電源管理等方案解決設(shè)計(jì)人員面臨的能耗挑戰(zhàn)。
從低功耗到免電池
免電池的傳感器節(jié)點(diǎn)可降低成本,因?yàn)闊o(wú)需更換電池或無(wú)需維護(hù),傳感器工作壽命更長(zhǎng)。采用免電池的物聯(lián)網(wǎng)還有利于可持續(xù)發(fā)展,因?yàn)闇p小了對(duì)受限原材料如鈷的依賴,和回收再利用預(yù)算。電磁開關(guān)、太陽(yáng)能電池、振動(dòng)能量采集器是可靠的、經(jīng)驗(yàn)證的免電池技術(shù),適用的應(yīng)用如智能樓宇、家居的照明控制、遠(yuǎn)程控制,樓宇自動(dòng)化的開門、窗,維護(hù)性應(yīng)用的升降門運(yùn)行計(jì)數(shù)器,安全應(yīng)用的滅火器摘機(jī)檢測(cè)等。
低功耗互聯(lián)協(xié)議是實(shí)現(xiàn)免電池的關(guān)鍵,如低功耗藍(lán)牙和Zigbee™ Green Power。如今低功耗藍(lán)牙無(wú)處不在,是分布廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。低功耗藍(lán)牙和Zigbee™ Green Power都具有超低功耗,支持通過能量采集實(shí)現(xiàn)免電池的應(yīng)用,支持低功耗藍(lán)牙或Zigbee™ Green Power的設(shè)備可加入Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在擴(kuò)展范圍內(nèi)安全地多對(duì)多通信。
行業(yè)最低功耗的藍(lán)牙5無(wú)線電系統(tǒng)單芯片(SoC) RSL10極其適用于通過能量采集實(shí)現(xiàn)完全免電池的方案,它在接收模式功耗7 mW,深度睡眠模式功耗僅62.5 nW,獲行業(yè)最高的EEMBC® ULPMark™評(píng)分。RSL10系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)在一個(gè)6 x 8 x 1.46 mm的微型封裝中集成RSL10無(wú)線電、天線和所有的無(wú)源器件,簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并最小化物料單(BOM),易于設(shè)計(jì)導(dǎo)入到任何智能無(wú)線互聯(lián)應(yīng)用中,且已通過美國(guó)、歐洲、日本等多國(guó)認(rèn)證體系。
超低功耗的嵌入式硬件平臺(tái):RSL10傳感器開發(fā)套件
RSL10傳感器開發(fā)套件結(jié)合行業(yè)最低功耗的RSL10 SIP 和Bosch Sensortec的尖端傳感器技術(shù),包括環(huán)境光、慣性和環(huán)境傳感器的十多個(gè)低功耗傳感器,實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化、具有超長(zhǎng)電池使用壽命的傳感器節(jié)點(diǎn),用于智能家居、智能樓宇、資產(chǎn)跟蹤、個(gè)人物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用。該套件高度集成,外形緊湊,還包含軟件開發(fā)環(huán)境和可聯(lián)接到云的移動(dòng)應(yīng)用程序 (App) RSL10 Sense and Control,開箱即用,從而簡(jiǎn)化和加快開發(fā)。這App讀取該套件配套的眾多傳感器,并通過MQTT將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云,也可通過MQTT訂閱來自云的執(zhí)行器數(shù)據(jù)。例如,使用RSL10傳感器開發(fā)套件可快速構(gòu)建、測(cè)試和部署用于工人安全的工業(yè)可穿戴設(shè)備或資產(chǎn)監(jiān)控等應(yīng)用。在工人安全應(yīng)用用例中,可檢測(cè)跌倒,迅速發(fā)出警報(bào),減少對(duì)緊急情況的響應(yīng)時(shí)間,也可預(yù)先發(fā)現(xiàn)高溫有害的危險(xiǎn)情況,最終減少受傷風(fēng)險(xiǎn),降低運(yùn)營(yíng)成本,提高生產(chǎn)效率。
能量采集方案:RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)
完全由太陽(yáng)能供電的新型尖端傳感器開發(fā)平臺(tái)RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái),免電池免維護(hù),填補(bǔ)能源需求的缺口。該平臺(tái)基于行業(yè)最低功耗的RSL10 SIP,結(jié)合Bosch Sensortec的超低功耗智能傳感器進(jìn)行溫度、壓力和濕度持續(xù)檢測(cè),通過低功耗藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)到云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行云互聯(lián),用于氣候控制、工人安全和移動(dòng)健康等應(yīng)用。
RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)的特性包括:
● 提供持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù),無(wú)需電池。
● 通過RSL10 SIP提供業(yè)界最低功耗的藍(lán)牙®低功耗技術(shù)。
● 待機(jī)模式下為55 nw,0 dbm 時(shí)的Rx和Tx為10 mW。
● 支持信標(biāo)(Beacon)和遙測(cè)傳輸。
● 使用帶有Arm® Cortex®調(diào)試連接器(10引腳) 適配器的SEGGER J-Link完全可重新編程。
● 超低漏電流。
● 自適應(yīng)占空比(自檢可用的能量用于傳輸)。
● 雙太陽(yáng)能電池接口(通孔線焊或ZIF接口)。
● 超低功耗智能傳感器。
● 低壓、高精度溫度傳感器,溫度范圍寬(-40至125℃)(NCT203)。
● 結(jié)合數(shù)字濕度、壓力和溫度傳感器(BME280)。
● 智能3軸超低功耗加速度計(jì)(BMA400),具有集成的喚醒和睡眠功能。
● 預(yù)閃存含交織Beacon固件。
● Eddystone TLM Beacon。
● 傳輸存儲(chǔ)電容器的電壓電平、溫度、上電后的時(shí)間以及上電后的廣告包。
● 兼容低功耗藍(lán)牙(BLE) Scanner應(yīng)用程序(iOS®或Android™)。
● 定制環(huán)境服務(wù)Beacon。
● 傳輸溫度、濕度和壓力。
● B-IDK CMSIS-Pack中提供了軟件庫(kù)和示例。
● 支持各種照明條件(人工照明或太陽(yáng)能燈,低至180 lux)。
● 能量采集方案:藍(lán)牙低功耗開關(guān)
安森美半導(dǎo)體的藍(lán)牙低功耗開關(guān)完全以采集的能量工作,實(shí)現(xiàn)真正自供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,應(yīng)用示例包括墻面和照明控制、樓宇自動(dòng)化和資產(chǎn)跟蹤。該方案結(jié)合行業(yè)最低功耗的RSL10 SIP和采埃孚股份公司(ZF Friedrichshafen AG)的高性能能量采集開關(guān),每次按下及松開按鈕產(chǎn)生350 μJ能量相當(dāng)于在0 dBm每一傳輸信號(hào)只消耗17微焦(μJ)。這藍(lán)牙低功耗開關(guān)無(wú)需降壓-升壓,減少BOM達(dá)25%,兼容安森美半導(dǎo)體的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件(IDK)和藍(lán)牙IDK (B-IDK),包括傳感器、聯(lián)接和致動(dòng)器器件的全面陣容,易于聯(lián)接到標(biāo)準(zhǔn)的BLE Scanner或移動(dòng)/照明應(yīng)用程序(iOS®或Android™),并配有完整的BoM、電路圖、PCB布局和Gerber文件,以及免費(fèi)使用的開關(guān)端固件。
能量采集方案:Zigbee Green Power開關(guān)
Zigbee Green Power 基于IEEE 802.15.4 規(guī)范,針對(duì)通過能量采集實(shí)現(xiàn)免電池的自供電設(shè)備。安森美半導(dǎo)體的Zigbee Green Power能量采集開關(guān)方案含1個(gè)能量采集開關(guān)、1個(gè)基于NCS36510的Zigbee Green Power模塊和Zigbee3.0 GP協(xié)議棧,優(yōu)勢(shì)包括:免電池免維護(hù),具成本優(yōu)勢(shì),遠(yuǎn)距離聯(lián)接,安裝簡(jiǎn)單,兼容商用產(chǎn)品,本地Mesh。NCS36510是超低功耗的SoC射頻收發(fā)器,接收功耗和發(fā)送功耗分別低至6.7 mW和6.0 mW。該方案的典型應(yīng)用如照明控制、自動(dòng)開門/窗等。
RFID技術(shù)
射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽利用天線提供的功率為芯片供電,并以數(shù)據(jù)形式發(fā)送返回信號(hào)。這數(shù)據(jù)可能是解鎖車門的指令、獨(dú)一無(wú)二的ID、傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)如溫度。RFID讀取范圍為高頻10 cm,無(wú)源超高頻(UHF)約10 m (因讀卡器功率、天線設(shè)計(jì)、標(biāo)簽設(shè)計(jì)、方向不同而有所不同),有源UHF約100 m。安森美半導(dǎo)體的智能無(wú)源無(wú)線傳感器是免電池的RFID傳感器,提供溫度監(jiān)測(cè)、距離檢測(cè)、漏水檢測(cè)和液位檢測(cè),能同時(shí)讀取幾百個(gè)標(biāo)簽,極具成本優(yōu)勢(shì),即剝即貼即讀,易于采集運(yùn)行數(shù)據(jù)以分析和采取行動(dòng),實(shí)現(xiàn)快速部署,無(wú)需維護(hù),適用于具挑戰(zhàn)性的環(huán)境如墻后、移動(dòng)物體等,讀卡器可裝在固定的天花板、門、桌、架子或移動(dòng)的手持設(shè)備、機(jī)器人、無(wú)人機(jī),用例包括會(huì)議室分時(shí)段的占位檢測(cè)、辦公室溫度監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)管理、倉(cāng)庫(kù)漏水檢測(cè)、工廠電機(jī)溫度/振動(dòng)監(jiān)測(cè)、電氣開關(guān)裝置監(jiān)測(cè)等等。
智能系統(tǒng)級(jí)電源管理實(shí)現(xiàn)10年電池使用壽命
物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有兩種典型的工作模式:有源模式和低功耗模式。在大多數(shù)用例中,設(shè)備處于有源模式的時(shí)間百分比(稱為占空比)很小,99%的時(shí)間都處于空閑或低功耗模式,僅需電池提供極低功率。因此,充分利用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的雙模式特性,采用睡眠占空比技術(shù),最小化有源模式的時(shí)間,盡可能延長(zhǎng)低功耗模式的時(shí)間,可顯著降低系統(tǒng)功耗,有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。
采用低靜態(tài)電流的低壓降穩(wěn)壓器(LDO),用于低占空比物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,有助于實(shí)現(xiàn)10年電池使用壽命。如安森美半導(dǎo)體的雙模式50 nA LDO NCP171,提供有源模式下達(dá)80 mA的電流,和低功耗模式下低至50 nA的靜態(tài)電流。NCP171創(chuàng)新的雙模式結(jié)構(gòu)在有源模式下具有可靠的射頻傳輸所需的出色的噪聲和動(dòng)態(tài)性能,以及精確傳感所需的極低噪聲性能,同時(shí)提供低功耗模式下的超低Iq以延長(zhǎng)電池使用壽命。這兩種LDO模式可通過切換專用ECO引腳來選擇。NCP171還可在切換到低功耗模式時(shí)內(nèi)置電壓偏移,以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗,從50 mV到200 mV不等。而且,與傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器相比,由于器件數(shù)更少,占位更小,因而降低總成本。
總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的傳感器隨物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展而激增,需要通過超低功耗的嵌入式硬件平臺(tái)、能量采集的自供電、智能系統(tǒng)級(jí)電源管理等方案解決設(shè)計(jì)人員面臨的能耗挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體提供智能系統(tǒng)級(jí)電源管理方案實(shí)現(xiàn)10年電池使用壽命,還結(jié)合能量采集和低功耗藍(lán)牙、Zigbee Green Power等超低功耗無(wú)線互聯(lián)技術(shù)以及基于RFID技術(shù)的方案,使免電池、免維護(hù)的傳感器節(jié)點(diǎn)成為可能,配合環(huán)保節(jié)能的趨勢(shì),并顯著降低總擁有成本。
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