2019年12月04日 | 技术文章—如何实现免维护的传感器节点

传感器作为物联网生态系统的关键一环，用于感知和采集温度、湿度、距离、液位等数据，通过以太网、Wi-Fi、蓝牙低功耗(BLE)、ZigBee、Sigfox等联接协议传输和汇总数据，进而通过专用软件解析这些数据并采取行动，最终实现系统自动化、预测性维护、智能农业、智能医疗护理、分析物联网世界海量数据等应用。随着物联网的高速增长，对数据存储、处理和传输的需求越来越高，将成为项目可持续性的重大问题。可考虑设计超低功耗的嵌入式硬件平台、能量采集的自供电、智能系统级电源管理等方案解决设计人员面临的能耗挑战。

从低功耗到免电池

免电池的传感器节点可降低成本，因为无需更换电池或无需维护，传感器工作寿命更长。采用免电池的物联网还有利于可持续发展，因为减小了对受限原材料如钴的依赖，和回收再利用预算。电磁开关、太阳能电池、振动能量采集器是可靠的、经验证的免电池技术，适用的应用如智能楼宇、家居的照明控制、远程控制，楼宇自动化的开门、窗，维护性应用的升降门运行计数器，安全应用的灭火器摘机检测等。

低功耗互联协议是实现免电池的关键，如低功耗蓝牙和Zigbee™ Green Power。如今低功耗蓝牙无处不在，是分布广泛的生态系统。低功耗蓝牙和Zigbee™ Green Power都具有超低功耗，支持通过能量采集实现免电池的应用，支持低功耗蓝牙或Zigbee™ Green Power的设备可加入Mesh网络实现在扩展范围内安全地多对多通信。

行业最低功耗的蓝牙5无线电系统单芯片(SoC) RSL10极其适用于通过能量采集实现完全免电池的方案，它在接收模式功耗7 mW，深度睡眠模式功耗仅62.5 nW，获行业最高的EEMBC®ULPMark™评分。RSL10系统级封装(SIP)在一个6 x 8 x 1.46 mm的微型封装中集成RSL10无线电、天线和所有的无源器件，简化系统设计并最小化物料单(BOM)，易于设计导入到任何智能无线互联应用中，且已通过美国、欧洲、日本等多国认证体系。

超低功耗的嵌入式硬件平台：RSL10传感器开发套件

RSL10传感器开发套件结合行业最低功耗的RSL10 SIP 和Bosch Sensortec的尖端传感器技术，包括环境光、惯性和环境传感器的十多个低功耗传感器，实现功耗优化、具有超长电池使用寿命的传感器节点，用于智能家居、智能楼宇、资产跟踪、个人物联网等应用。该套件高度集成，外形紧凑，还包含软件开发环境和可联接到云的移动应用程序 (App) RSL10 Sense and Control，开箱即用，从而简化和加快开发。这App读取该套件配套的众多传感器，并通过MQTT将传感器数据发送到云，也可通过MQTT订阅来自云的执行器数据。例如，使用RSL10传感器开发套件可快速构建、测试和部署用于工人安全的工业可穿戴设备或资产监控等应用。在工人安全应用用例中，可检测跌倒，迅速发出警报，减少对紧急情况的响应时间，也可预先发现高温有害的危险情况，最终减少受伤风险，降低运营成本，提高生产效率。

能量采集方案：RSL10太阳能电池多传感器平台

完全由太阳能供电的新型尖端传感器开发平台RSL10太阳能电池多传感器平台，免电池免维护，填补能源需求的缺口。该平台基于行业最低功耗的RSL10 SIP，结合Bosch Sensortec的超低功耗智能传感器进行温度、压力和湿度持续检测，通过低功耗蓝牙传输数据到云网关进行云互联，用于气候控制、工人安全和移动健康等应用。

RSL10太阳能电池多传感器平台的特性包括：

•        提供持续监测技术，无需电池。

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•        通过RSL10 SIP提供业界最低功耗的蓝牙®低功耗技术。

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•        待机模式下为55 nw，0 dbm 时的Rx和Tx为10 mW。

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•        支持信标(Beacon)和遥测传输。

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•        使用带有Arm® Cortex®调试连接器(10引脚) 适配器的SEGGER J-Link完全可重新编程。

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•        超低漏电流。

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•        自适应占空比(自检可用的能量用于传输)。

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•        双太阳能电池接口(通孔线焊或ZIF接口)。

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•        超低功耗智能传感器。

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•        低压、高精度温度传感器，温度范围宽(-40至125℃)(NCT203)。

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•        结合数字湿度、压力和温度传感器(BME280)。

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•        智能3轴超低功耗加速度计(BMA400)，具有集成的唤醒和睡眠功能。

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•        预闪存含交织Beacon固件。

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•        Eddystone TLM Beacon。

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•        传输存储电容器的电压电平、温度、上电后的时间以及上电后的广告包。

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•        兼容低功耗蓝牙(BLE) Scanner应用程序(iOS®或Android™)。

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•        定制环境服务Beacon。

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•        传输温度、湿度和压力。

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•        B-IDK CMSIS-Pack中提供了软件库和示例。

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•        支持各种照明条件(人工照明或太阳能灯，低至180 lux)。

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能量采集方案：蓝牙低功耗开关

安森美半导体的蓝牙低功耗开关完全以采集的能量工作，实现真正自供电的物联网应用，应用示例包括墙面和照明控制、楼宇自动化和资产跟踪。该方案结合行业最低功耗的RSL10 SIP和采埃孚股份公司(ZF Friedrichshafen AG)的高性能能量采集开关，每次按下及松开按钮产生350 μJ能量相当于在0 dBm每一传输信号只消耗17微焦(μJ)。这蓝牙低功耗开关无需降压-升压，减少BOM达25%，兼容安森美半导体的物联网开发套件(IDK)和蓝牙IDK (B-IDK)，包括传感器、联接和致动器器件的全面阵容，易于联接到标准的BLE Scanner或移动/照明应用程序(iOS®或Android™)，并配有完整的BoM、电路图、PCB布局和Gerber文件，以及免费使用的开关端固件。

能量采集方案：Zigbee Green Power开关

Zigbee Green Power 基于IEEE 802.15.4 规范，针对通过能量采集实现免电池的自供电设备。安森美半导体的Zigbee Green Power能量采集开关方案含1个能量采集开关、1个基于NCS36510的Zigbee Green Power模块和Zigbee3.0 GP协议栈，优势包括：免电池免维护，具成本优势，远距离联接，安装简单，兼容商用产品，本地Mesh。NCS36510是超低功耗的SoC射频收发器，接收功耗和发送功耗分别低至6.7 mW和6.0 mW。该方案的典型应用如照明控制、自动开门/窗等。

RFID技术

射频识别(RFID)标签利用天线提供的功率为芯片供电，并以数据形式发送返回信号。这数据可能是解锁车门的指令、独一无二的ID、传感器的检测数据如温度。RFID读取范围为高频10 cm，无源超高频(UHF)约10 m (因读卡器功率、天线设计、标签设计、方向不同而有所不同)，有源UHF约100 m。安森美半导体的智能无源无线传感器是免电池的RFID传感器，提供温度监测、距离检测、漏水检测和液位检测，能同时读取几百个标签，极具成本优势，即剥即贴即读，易于采集运行数据以分析和采取行动，实现快速部署，无需维护，适用于具挑战性的环境如墙后、移动物体等，读卡器可装在固定的天花板、门、桌、架子或移动的手持设备、机器人、无人机，用例包括会议室分时段的占位检测、办公室温度监测、空气质量监测、资产管理、仓库漏水检测、工厂电机温度/振动监测、电气开关装置监测等等。

智能系统级电源管理实现10年电池使用寿命

物联网节点有两种典型的工作模式：有源模式和低功耗模式。在大多数用例中，设备处于有源模式的时间百分比(称为占空比)很小，99%的时间都处于空闲或低功耗模式，仅需电池提供极低功率。因此，充分利用物联网节点的双模式特性，采用睡眠占空比技术，最小化有源模式的时间，尽可能延长低功耗模式的时间，可显著降低系统功耗，有助于延长电池使用寿命。

采用低静态电流的低压降稳压器(LDO)，用于低占空比物联网应用，有助于实现10年电池使用寿命。如安森美半导体的双模式50 nA LDO NCP171，提供有源模式下达80 mA的电流，和低功耗模式下低至50 nA的静态电流。NCP171创新的双模式结构在有源模式下具有可靠的射频传输所需的出色的噪声和动态性能，以及精确传感所需的极低噪声性能，同时提供低功耗模式下的超低Iq以延长电池使用寿命。这两种LDO模式可通过切换专用ECO引脚来选择。NCP171还可在切换到低功耗模式时内置电压偏移，以进一步降低系统功耗，从50 mV到200 mV不等。而且，与传统降压稳压器相比，由于器件数更少，占位更小，因而降低总成本。

总结

物联网应用中的传感器随物联网的高速发展而激增，需要通过超低功耗的嵌入式硬件平台、能量采集的自供电、智能系统级电源管理等方案解决设计人员面临的能耗挑战。安森美半导体提供智能系统级电源管理方案实现10年电池使用寿命，还结合能量采集和低功耗蓝牙、Zigbee Green Power等超低功耗无线互联技术以及基于RFID技术的方案，使免电池、免维护的传感器节点成为可能，配合环保节能的趋势，并显著降低总拥有成本。