如何實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的傳感器節(jié)點(diǎn)

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。可考慮設(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需更換電池或無需維護(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無線電、天線和所有的無源器件，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太陽能電池多傳感器平臺(tái)

完全由太陽能供電的新型尖端傳感器開發(fā)平臺(tái)RSL10太陽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中提供了軟件庫和示例。

·         支持各種照明條件(人工照明或太陽能燈，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)體的智能無源無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、倉庫漏水檢測(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。