如何實(shí)現免維護的傳感器節點(diǎn)
傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的關(guān)鍵一環(huán)，用于感知和采集溫度、濕度、距離、液位等數據，通過(guò)以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙低功耗(BLE)、ZigBee、Sigfox等聯(lián)接協(xié)議傳輸和匯總數據，進(jìn)而通過(guò)專(zhuān)用軟件解析這些數據并采取行動(dòng)，實(shí)現系統自動(dòng)化、預測性維護、智能農業(yè)、智能醫療護理、分析物聯(lián)網(wǎng)世界海量數據等應用。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的高速增長(cháng)，對數據存儲、處理和傳輸的需求越來(lái)越高，將成為項目可持續性的重大問(wèn)題?？煽紤]設計超低功耗的嵌入式硬件平臺、能量采集的自供電、智能系統級電源管理等方案解決設計人員面臨的能耗挑戰。
從低功耗到免電池
免電池的傳感器節點(diǎn)可降低成本，因為無(wú)需更換電池或無(wú)需維護，傳感器工作壽命更長(cháng)。采用免電池的物聯(lián)網(wǎng)還有利于可持續發(fā)展，因為減小了對受限原材料如鈷的依賴(lài)，和回收再利用預算。電磁開(kāi)關(guān)、太陽(yáng)能電池、振動(dòng)能量采集器是可靠的、經(jīng)驗證的免電池技術(shù)，適用的應用如智能樓宇、家居的照明控制、遠程控制，樓宇自動(dòng)化的開(kāi)門(mén)、窗，維護性應用的升降門(mén)運行計數器，安 全應用的滅火器摘機檢測等。
低功耗互聯(lián)協(xié)議是實(shí)現免電池的關(guān)鍵，如低功耗藍牙和Zigbee? Green Power。如今低功耗藍牙無(wú)處不在，是分布廣泛的生態(tài)系統。低功耗藍牙和Zigbee? Green Power都具有超低功耗，支持通過(guò)能量采集實(shí)現免電池的應用，支持低功耗藍牙或Zigbee? Green Power的設備可加入Mesh網(wǎng)絡(luò )實(shí)現在擴展范圍內安 全地多對多通信。
行業(yè)低功耗的藍牙5無(wú)線(xiàn)電系統單芯片(SoC) RSL10極其適用于通過(guò)能量采集實(shí)現完全免電池的方案，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)高的EEMBC? ULPMark?評分。RSL10系統級封裝(SIP)在一個(gè)6 x 8 x 1.46 mm的微型封裝中集成RSL10無(wú)線(xiàn)電、天線(xiàn)和所有的無(wú)源器件，簡(jiǎn)化系統設計并小化物料單(BOM)，易于設計導入到任何智能無(wú)線(xiàn)互聯(lián)應用中，且已通過(guò)美國、歐洲、日本等多國認證體系。
超低功耗的嵌入式硬件平臺：RSL10傳感器開(kāi)發(fā)套件
RSL10傳感器開(kāi)發(fā)套件結合行業(yè)低功耗的RSL10 SIP 和Bosch Sensortec的傳感器技術(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)現功耗優(yōu)化、具有超長(cháng)電池使用壽命的傳感器節點(diǎn)，用于智能家居、智能樓宇、資產(chǎn)跟蹤、個(gè)人物聯(lián)網(wǎng)等應用。該套件高度集成，外形緊湊，還包含軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和可聯(lián)接到云的移動(dòng)應用程序 (App) RSL10 Sense and Control，開(kāi)箱即用，從而簡(jiǎn)化和加快開(kāi)發(fā)。這App讀取該套件配套的眾多傳感器，并通過(guò)MQTT將傳感器數據發(fā)送到云，也可通過(guò)MQTT訂閱來(lái)自云的執行器數據。例如，使用RSL10傳感器開(kāi)發(fā)套件可快速構建、測試和部署用于工人安 全的工業(yè)可穿戴設備或資產(chǎn)監控等應用。在工人安 全應用用例中，可檢測跌倒，迅速發(fā)出警報，減少對緊急情況的響應時(shí)間，也可預先發(fā)現高溫有害的危險情況，終減少受傷風(fēng)險，降低運營(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
完全由太陽(yáng)能供電的新型傳感器開(kāi)發(fā)平臺RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺，免電池免維護，填補能源需求的缺口。該平臺基于行業(yè)低功耗的RSL10 SIP，結合Bosch Sensortec的超低功耗智能傳感器進(jìn)行溫度、壓力和濕度持續檢測，通過(guò)低功耗藍牙傳輸數據到云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行云互聯(lián)，用于氣候控制、工人安 全和移動(dòng)健康等應用。
RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺的特性包括：
●提供持續監測技術(shù)，無(wú)需電池。
●通過(guò)RSL10 SIP提供業(yè)界低功耗的藍牙?低功耗技術(shù)。
●待機模式下為55 nw，0 dbm 時(shí)的Rx和Tx為10 mW。
●支持信標(Beacon)和遙測傳輸。
●使用帶有Arm? Cortex?調試連接器(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(xiàn)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)。
●結合數字濕度、壓力和溫度傳感器(BME280)。
●智能3軸超低功耗加速度計(BMA400)，具有集成的喚醒和睡眠功能。
●預閃存含交織Beacon固件。
●Eddystone TLM Beacon。
●傳輸存儲電容器的電壓電平、溫度、上電后的時(shí)間以及上電后的廣告包。
●兼容低功耗藍牙(BLE) Scanner應用程序(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(yáng)能燈，低至180 lux)。
能量采集方案：藍牙低功耗開(kāi)關(guān)
安森美半導體的藍牙低功耗開(kāi)關(guān)完全以采集的能量工作，實(shí)現真正自供電的物聯(lián)網(wǎng)應用，應用示例包括墻面和照明控制、樓宇自動(dòng)化和資產(chǎn)跟蹤。該方案結合行業(yè)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(kāi)關(guān)，每次按下及松開(kāi)按鈕產(chǎn)生350 μJ能量相當于在0 dBm每一傳輸信號只消耗17微焦(μJ)。這藍牙低功耗開(kāi)關(guān)無(wú)需降壓-升壓，減少BOM達25%，兼容安森美半導體的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)套件(IDK)和藍牙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)接到標準的BLE Scanner或移動(dòng)/照明應用程序(iOS?或Android?)，并配有完整的BoM、電路圖、PCB布局和Gerber文件，以及免費使用的開(kāi)關(guān)端固件。
能量采集方案：Zigbee Green Power開(kāi)關(guān)
Zigbee Green Power 基于IEEE 802.15.4 規范，針對通過(guò)能量采集實(shí)現免電池的自供電設備。安森美半導體的Zigbee Green Power能量采集開(kāi)關(guān)方案含1個(gè)能量采集開(kāi)關(guān)、1個(gè)基于NCS36510的Zigbee Green Power模塊和Zigbee3.0 GP協(xié)議棧，優(yōu)勢包括：免電池免維護，具成本優(yōu)勢，遠距離聯(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。該方案的典型應用如照明控制、自動(dòng)開(kāi)門(mén)/窗等。
RFID技術(shù)
射頻識別(RFID)標簽利用天線(xiàn)提供的功率為芯片供電，并以數據形式發(fā)送返回信號。這數據可能是解鎖車(chē)門(mén)的指令、獨 一無(wú) 二的ID、傳感器的檢測數據如溫度。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(xiàn)設計、標簽設計、方向不同而有所不同)，有源UHF約100 m。安森美半導體的智能無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器是免電池的RFID傳感器，提供溫度監測、距離檢測、漏水檢測和液位檢測，能同時(shí)讀取幾百個(gè)標簽，極 具成本優(yōu)勢，即剝即貼即讀，易于采集運行數據以分析和采取行動(dòng)，實(shí)現快速部署，無(wú)需維護，適用于具挑戰性的環(huán)境如墻后、移動(dòng)物體等，讀 卡器可裝在固定的天花板、門(mén)、桌、架子或移動(dòng)的手持設備、機器人、無(wú)人機，用例包括會(huì )議室分時(shí)段的占位檢測、辦公室溫度監測、空氣質(zhì)量監測、資產(chǎn)管理、倉庫漏水檢測、工廠(chǎng)電機溫度/振動(dòng)監測、電氣開(kāi)關(guān)裝置監測等等。
智能系統級電源管理實(shí)現10年電池使用壽命
物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)有兩種典型的工作模式：有源模式和低功耗模式。在大多數用例中，設備處于有源模式的時(shí)間百分比(稱(chēng)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)節點(diǎn)的雙模式特性，采用睡眠占空比技術(shù)，小化有源模式的時(shí)間，盡可能延長(cháng)低功耗模式的時(shí)間，可顯著(zhù)降低系統功耗，有助于延長(cháng)電池使用壽命。
采用低靜態(tài)電流的低壓降穩壓器(LDO)，用于低占空比物聯(lián)網(wǎng)應用，有助于實(shí)現10年電池使用壽命。如安森美半導體的雙模式50 nA LDO NCP171，提供有源模式下達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 ) 新的雙模式結構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(cháng)電池使用壽命。這兩種LDO模式可通過(guò)切換專(zhuān)用ECO引腳來(lái)選擇。NCP171還可在切換到低功耗模式時(shí)內置電壓偏移，以進(jìn)一步降低系統功耗，從50 mV到200 mV不等。而且，與傳統降壓穩壓器相比，由于器件數更少，占位更小，因而降低總成本。
總結
物聯(lián)網(wǎng)應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(guò)超低功耗的嵌入式硬件平臺、能量采集的自供電、智能系統級電源管理等方案解決設計人員面臨的能耗挑戰。安森美半導體提供智能系統級電源管理方案實(shí)現10年電池使用壽命，還結合能量采集和低功耗藍牙、Zigbee Green Power等超低功耗無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)以及基于RFID技術(shù)的方案，使免電池、免維護的傳感器節點(diǎn)成為可能，配合環(huán)保節能的趨勢，并顯著(zhù)降低總擁有成本。