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如何設(shè)計低功耗、免維護(hù)的能量采集無線傳感器?

發(fā)布時間:2015-01-20 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】如今的無線傳感器實現(xiàn)方案五花八門。但此類系統(tǒng)的總成本不僅僅取決于硬件。實施不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成本也會增加總成本。本文將提出一種低功耗能量采集傳感器的實現(xiàn)方案。
 
智能環(huán)境代表了家庭自動化和樓宇自動化的未來。各種傳感器、控制器和執(zhí)行器分布在整個環(huán)境中,并發(fā)揮多種作用。這種分布也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如,每個傳感器都需要有自己的電源。監(jiān)視電池的低電量狀態(tài)是一項標(biāo)準(zhǔn)操作。但是,更換電池需要人工輔助。本文提出了一種低功耗能量采集傳感器的實現(xiàn)方案。當(dāng)傳感器需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)或執(zhí)行連續(xù)測量時,能量采集供電的無線傳感器更為適合。采用能量采集供電的傳感器可在數(shù)年內(nèi)完全免維護(hù),而電池供電的傳感器在幾個月內(nèi)就會耗盡電量。
  
如今的無線傳感器實現(xiàn)方案五花八門。但是,此類系統(tǒng)的總成本不僅僅取決于硬件。實施不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成本也會增加總成本。這不僅包括附加的軟硬件要求,還包括不甚明顯的項目,如認(rèn)證(例如 ZigBee®和 Bluetooth® 4.0),甚至可能涉及版稅。本文提出了一些簡單的低功耗能量采集技術(shù),可用于實現(xiàn)免維護(hù)的無線傳感器。此外,本文還將展示如何在提供穩(wěn)固性能的同時保持較低的總成本,特別是在經(jīng)濟(jì)高效的無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
  
能量采集原理
 
能量采集系統(tǒng)的基本原理是存儲能量(無論是使用鎳氫電池之類的可充電電池還是使用超級電容)供將來需要時使用。除此之外,能量采集無線傳感器基本上與電池供電的傳感器相同。主要的區(qū)別在于(非充電式)電池供電的無線傳感器設(shè)計為使用電池工作特定一段時間。能量采集傳感器節(jié)點的優(yōu)勢是,可以無限采集能量供將來使用。通常情況下,它能夠采集的能量非常有限(受價格和/或物理尺寸限制)。因此,必須對無線發(fā)送器和傳感器本身的能源使用加以平衡,以減少對采集能量的使用。
  
不同的能量采集設(shè)備
  
目前,市場上有多種不同的能量采集設(shè)備可選。最常用的設(shè)備為太陽能電池板。它有著不同的尺寸,從串聯(lián)和/或并聯(lián)多個太陽能電池的大型電池板,到用于手持式計算器或玩具的超小型電池。另一種類型的設(shè)備是 RF 采集設(shè)備。此設(shè)備使用天線接收無線電波,然后將其轉(zhuǎn)換為電能。這是一種非常特別的能量采集設(shè)備,因為它需要高 RF 能量。機(jī)電能量采
  
集設(shè)備通常在電感線圈附近使用磁性運(yùn)動部件。熱電能量采集設(shè)備可通過溫度梯度產(chǎn)生少量電能。這類熱能設(shè)備依賴于塞貝克效應(yīng)。
  
是否實施無線標(biāo)準(zhǔn)
  
當(dāng)添加無線功能時,一些缺乏經(jīng)驗的用戶往往只會想到實施 RF 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如 ZigBee或 Bluetooth。但是,根據(jù)實際的應(yīng)用需求,實施特定標(biāo)準(zhǔn)可能是實際要求,也可能不是。一般來說,僅當(dāng)最終產(chǎn)品必須與市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品兼容時,才需要實施特定標(biāo)準(zhǔn)。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品(由其他公司銷售)兼容,實際上是一個更復(fù)雜的商業(yè)決策。需要權(quán)衡是否提供兼容性。此外,在一些情況下必須提供兼容性(如用于手機(jī)的無線耳機(jī)),而另外一些情況下無法添加兼容性或者添加成本過高(如簡單的IR 遙控)。
  
實施標(biāo)準(zhǔn)的額外成本
  
很多時候,當(dāng)考慮實施特定 RF 標(biāo)準(zhǔn)時,設(shè)計人員僅看到總體硬件成本。這通常是考慮硬件解決方案時的主要出發(fā)點。任何 RF 發(fā)送器(正式名稱為“有意輻射體”)都需要認(rèn)證。非 RF 發(fā)送器仍需要 FCC 或 CE 認(rèn)證。但是,其認(rèn)證操作相對比較簡單且便宜。對于任何無線傳感器來說,F(xiàn)CC 認(rèn)證都是不可避免的。因此,當(dāng)比較不同的解決方案時,將不考慮這部分成本。
  
根據(jù)實施的無線標(biāo)準(zhǔn),總實施成本可能遠(yuǎn)超最初預(yù)期的成本。實施特定標(biāo)準(zhǔn)的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格(年費)、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性測試、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項目。ZigBee 認(rèn)證的成本約為 3000 美元,而這只是認(rèn)證本身的費用。但實際上,在申請認(rèn)證之前,還需要執(zhí)行一些特定的預(yù)測試并評估設(shè)備是否能通過認(rèn)證。專用測試設(shè)備的租金為每月 750 美元。
  
初看之下,這些額外成本可能不是很高。但是,多次采用特定標(biāo)準(zhǔn)需要支付會員費用。還可能需要支付版稅(每芯片)。RF 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證成本將始終轉(zhuǎn)換為額外的成本和延期,直到產(chǎn)品發(fā)布。
  
硬件本身的單位成本通常在 1 至 1.5 美元(1 萬件)范圍內(nèi)。僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品時,上述所有成本都將影響單位總成本。如果我們僅考慮 10,000 美元的 FCC 認(rèn)證成本,那么單位價格實際將翻一倍。RF 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的成本(認(rèn)證成本本身、預(yù)測試和 RF 測試設(shè)備)可以很容易超過 10,000 美元。
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最低硬件要求
  
特定的無線標(biāo)準(zhǔn)需要使用專用芯片(如 IEEE 802.15.4)。但是,如果您只需要進(jìn)行單向通信,那么簡單的 ISM 頻段發(fā)送器就完美適合應(yīng)用。但是,能量采集無線傳感器節(jié)點還有一些最低要求。建議采用高數(shù)據(jù)速率。一般來說,數(shù)據(jù)速率越高,需要的功率就越多。但總數(shù)據(jù)包長度會小很多,因此能量消耗會降低??梢允褂?ASK(OOK)或 FSK 調(diào)制。ASK 調(diào)制(和 OOK)的能量消耗較低,因為在工作的某些時期 RF 功率較低(OOK 甚至具有完全不消耗 RF 功率的時期)。ASK 的總平均電流消耗會更低。不過,F(xiàn)SK 仍為首選,因為它可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。例如,Microchip 的具有集成發(fā)送器的 PIC12LF1840T48A MCU 在 OOK 模式下支持 10 kbps,而在 FSK 模式下支持 100 kbps。在這種情況下,使用 FSK 調(diào)制時,數(shù)據(jù)發(fā)送可以快 10 倍。此外,從 RF 接收器的角度看,接收器接收和解碼 FSK 信號的效果要比 ASK 調(diào)制的 RF 好得多,尤其是在較高數(shù)據(jù)速率的情況下。
  
優(yōu)化功耗
  
無線能量采集傳感器在工作時需要盡可能減少功耗。這可以通過仔細(xì)地對設(shè)備的工作周期與低功耗關(guān)斷模式進(jìn)行平衡來實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用本身的響應(yīng)時間,傳感器需要頻繁或偶爾發(fā)送測量的傳感器信息。兩個工作周期之間的時間間隔越長,平均功耗越低,實際使用的能量就越少。
  
傳感器可能還需要在兩次無線電傳輸之間捕捉多個數(shù)據(jù)采樣。根據(jù)捕捉的實際物理信息,可消耗或多或少的電流。典型示例包括運(yùn)放和橋式稱重傳感器,它們在工作時需要相當(dāng)大的電流(相對于發(fā)送 RF 數(shù)據(jù)時的電流消耗)。
  
對于實際的無線 RF 發(fā)送配置,需要特別注意。幅值或頻率調(diào)制、信息的發(fā)送速率(比特率和/或頻率偏差)以及天線的 RF 輸出功率等參數(shù)都對總功耗有很大影響。工作時間越短,平均功耗越低——這一經(jīng)驗法則在這里同樣適用。系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設(shè)計,以消除所有不必要的功耗,例如避免 LED 始終點亮。處理器必須盡可能長地處于低功耗狀態(tài)。板上的所有其他器件在未使用時都必須處于低功耗待機(jī)模式。
  
這意味著,傳感器單元在連續(xù)的兩次數(shù)據(jù)發(fā)送之間必須等待不到一秒的時間。此外,還必須注意,上述計算公式適用于太陽能電池?zé)o限擁有持續(xù)光源的情況。當(dāng)然,這在大多數(shù)情況下是不可能實現(xiàn)的,因為主要能量來源是白天才有的自然光。在這種情況下,必須對計算進(jìn)行擴(kuò)展,以考慮到能量采集系統(tǒng)需要在白天存儲能量供沒有自然光的夜晚使用。此外,本示例中未計算實際傳感器測量所需的能量。
  
可能的實現(xiàn)選項
  
根據(jù)實際的系統(tǒng)要求,實現(xiàn)能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括:
  
- 將能量采集到超級電容中。
  
- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進(jìn)行涓流充電。無需任何充電穩(wěn)壓器。另外,鎳氫可充電電池的成本非常低。
  
- 直接由能量采集器供電。在主要的能量來源(如光或熱)連續(xù)可用并且生成的能量足以為無線傳感器電路供電的情況下,無需將能量存儲到單獨的設(shè)備中。當(dāng)然,此選項的適用性非常有限。
  
為什么使用能量采集
  
當(dāng)開發(fā)低功耗無線傳感器節(jié)點時,使用能量采集解決方案的主要好處不是節(jié)省無線解決方案的單位成本,而是節(jié)省無線傳感器系統(tǒng)的部署和維護(hù)成本。您曾經(jīng)有多少次需要在凌晨 1 點爬梯子更換煙霧探測器的電池,監(jiān)視和更換無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池的維護(hù)成本大大高于設(shè)備本身的成本,尤其是無線傳感器系統(tǒng)安裝在遠(yuǎn)端或難以觸及的區(qū)域時。當(dāng)需要定期維護(hù)服務(wù)時,無線系統(tǒng)的規(guī)模(傳感器數(shù))也會成為一個較大因素。借助能量采集技術(shù),我們可以采集“免費的”能量并存儲該能量以供確實需要時使用,而無需對無線系統(tǒng)的功耗施加明顯的限制即可確保 5 年以上的電池壽命,這樣客戶便不再需要更換電池。
  
結(jié)論
  
現(xiàn)在能夠以更具競爭力的價格點設(shè)計能量采集無線傳感器節(jié)點,尤其是業(yè)務(wù)上不需要支持某些更復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(例如 ZigBee 或 Wi-Fi®)時。大多數(shù)新無線傳感器設(shè)計甚至不需要電池,而是可以從不同的主要能量來源(如光、無線電波、機(jī)械能和熱能)采集能量。更多類型的能量采集源每天都在開發(fā)中(例如基于血糖的采集源)。
  
在正常情況下,低功耗能量采集無線傳感器幾乎可無限期工作,并且從不需要任何人工干預(yù)。這會是一個巨大的優(yōu)勢,并且可以節(jié)省大量維護(hù)成本,尤其是傳感器位于難以或者無法觸及的位置時。通過更加細(xì)心地選擇通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸速率,并更好地利用新型 RF 器件(如新的 PIC12F1840T48A)上的功耗管理功能,我們可以顯著降低總功率需求,從而減少無線傳感器解決方案的成本。
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