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如何實現免維護的傳感器節點

發布時間:2019-12-06 來源:中國自動化網 類型:解決方案 人瀏覽
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安森美 智能系統級電源管理方案

導讀:

安森美半導體提供智能系統級電源管理方案實現10年電池使用壽命,還結合能量采集和低功耗藍牙、Zigbee Green Power等超低功耗無線互聯技術以及基于RFID技術的方案,使免電池、免維護的傳感器節點成為可能,配合環保節能的趨勢,并顯著降低總擁有成本。 ?

  傳感器作為物聯網生態系統的關鍵一環,用于感知和采集溫度、濕度、距離、液位等數據,通過以太網、Wi-Fi、藍牙低功耗(BLE)、ZigBee、Sigfox等聯接協議傳輸和匯總數據,進而通過專用軟件解析這些數據并采取行動,最終實現系統自動化、預測性維護、智能農業、智能醫療護理、分析物聯網世界海量數據等應用。隨著物聯網的高速增長,對數據存儲、處理和傳輸的需求越來越高,將成為項目可持續性的重大問題。可考慮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可降低成本,因為無需更換電池或無需維護,傳感器工作壽命更長。采用免電池的物聯網還有利于可持續發展,因為減小了對受限原材料如鈷的依賴,和回收再利用預算。電磁開關、太陽能電池、振動能量采集器是可靠的、經驗證的免電池技術,適用的應用如智能樓宇、家居的照明控制、遠程控制,樓宇自動化的開門、窗,維護性應用的升降門運行計數器,安全應用的滅火器摘機檢測等。

  低功耗互聯協議是實現免電池的關鍵,如低功耗藍牙和Zigbee?Green Power。如今低功耗藍牙無處不在,是分布廣泛的生態系統。低功耗藍牙和Zigbee?Green Power都具有超低功耗,支持通過能量采集實現免電池的應用,支持低功耗藍牙或Zigbee?Green Power的設備可加入Mesh網絡實現在擴展范圍內安全地多對多通信。

  行業最低功耗的藍牙5無線電系統單芯片(SoC)RSL10極其適用于通過能量采集實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,獲行業最高的EEMBC®ULPMark?評分。RSL10系統級封裝(SIP)在一個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,簡化系統設計并最小化物料單(BOM),易于設計導入到任何智能無線互聯應用中,且已通過美國、歐洲、日本等多國認證體系。

  超低功耗的嵌入式硬件平臺:RSL10傳感器開發套件

  RSL10傳感器開發套件結合行業最低功耗的RSL10 SIP和Bosch Sensortec的尖端傳感器技術,包括環境光、慣性和環境傳感器的十多個低功耗傳感器,實現功耗優化、具有超長電池使用壽命的傳感器節點,用于智能家居、智能樓宇、資產跟蹤、個人物聯網等應用。該套件高度集成,外形緊湊,還包含軟件開發環境和可聯接到云的移動應用程序(App)RSL10 Sense and Control,開箱即用,從而簡化和加快開發。這App讀取該套件配套的眾多傳感器,并通過MQTT將傳感器數據發送到云,也可通過MQTT訂閱來自云的執行器數據。例如,使用RSL10傳感器開發套件可快速構建、測試和部署用于工人安全的工業可穿戴設備或資產監控等應用。在工人安全應用用例中,可檢測跌倒,迅速發出警報,減少對緊急情況的響應時間,也可預先發現高溫有害的危險情況,最終減少受傷風險,降低運營成本,提高生產效率。


安森美,智能系統級電源管理方案


  能量采集方案:RSL10太陽能電池多傳感器平臺

  完全由太陽能供電的新型尖端傳感器開發平臺RSL10太陽能電池多傳感器平臺,免電池免維護,填補能源需求的缺口。該平臺基于行業最低功耗的RSL10 SIP,結合Bosch Sensortec的超低功耗智能傳感器進行溫度、壓力和濕度持續檢測,通過低功耗藍牙傳輸數據到云網關進行云互聯,用于氣候控制、工人安全和移動健康等應用。


安森美,智能系統級電源管理方案


  RSL10太陽能電池多傳感器平臺的特性包括:

  提供持續監測技術,無需電池。

  通過RSL10 SIP提供業界最低功耗的藍牙®低功耗技術。

  待機模式下為55 nw,0 dbm時的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?)。

  定制環境服務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:藍牙低功耗開關

  安森美半導體的藍牙低功耗開關完全以采集的能量工作,實現真正自供電的物聯網應用,應用示例包括墻面和照明控制、樓宇自動化和資產跟蹤。該方案結合行業最低功耗的RSL10 SIP和采埃孚股份公司(ZF Friedrichshafen AG)的高性能能量采集開關,每次按下及松開按鈕產生350μJ能量相當于在0 dBm每一傳輸信號只消耗17微焦(μJ)。這藍牙低功耗開關無需降壓-升壓,減少BOM達25%,兼容安森美半導體的物聯網開發套件(IDK)和藍牙IDK(B-IDK),包括傳感器、聯接和致動器器件的全面陣容,易于聯接到標準的BLE Scanner或移動/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,以及免費使用的開關端固件。


安森美,智能系統級電源管理方案


  能量采集方案:Zigbee Green Power開關

  Zigbee Green Power基于IEEE 802.15.4規范,針對通過能量采集實現免電池的自供電設備。安森美半導體的Zigbee Green Power能量采集開關方案含1個能量采集開關、1個基于NCS36510的Zigbee Green Power模塊和Zigbee3.0 GP協議棧,優勢包括:免電池免維護,具成本優勢,遠距離聯接,安裝簡單,兼容商用產品,本地Mesh。NCS36510是超低功耗的SoC射頻收發器,接收功耗和發送功耗分別低至6.7 mW和6.0 mW。該方案的典型應用如照明控制、自動開門窗等。

  RFID技術

  射頻識別(RFID)標簽利用天線提供的功率為芯片供電,并以數據形式發送返回信號。這數據可能是解鎖車門的指令、獨一無二的ID、傳感器的檢測數據如溫度。RFID讀取范圍為高頻10 cm,無源超高頻(UHF)約10 m(因讀卡器功率、天線設計、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源無線傳感器是免電池的RFID傳感器,提供溫度監測、距離檢測、漏水檢測和液位檢測,能同時讀取幾百個標簽,極具成本優勢,即剝即貼即讀,易于采集運行數據以分析和采取行動,實現快速部署,無需維護,適用于具挑戰性的環境如墻后、移動物體等,讀卡器可裝在固定的天花板、門、桌、架子或移動的手持設備、機器人、無人機,用例包括會議室分時段的占位檢測、辦公室溫度監測、空氣質量監測、資產管理、倉庫漏水檢測、工廠電機溫度/振動監測、電氣開關裝置監測等等。


安森美,智能系統級電源管理方案


  智能系統級電源管理實現10年電池使用壽命

  物聯網節點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間百分比(稱為占空比)很小,99%的時間都處于空閑或低功耗模式,僅需電池提供極低功率。因此,充分利用物聯網節點的雙模式特性,采用睡眠占空比技術,最小化有源模式的時間,盡可能延長低功耗模式的時間,可顯著降低系統功耗,有助于延長電池使用壽命。

  采用低靜態電流的低壓降穩壓器(LDO),用于低占空比物聯網應用,有助于實現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的靜態電流。NCP171創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態性能,以及精確傳感所需的極低噪聲性能,同時提供低功耗模式下的超低Iq以延長電池使用壽命。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內置電壓偏移,以進一步降低系統功耗,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。


安森美,智能系統級電源管理方案


  總結

  物聯網應用中的傳感器隨物聯網的高速發展而激增,需要通過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等超低功耗無線互聯技術以及基于RFID技術的方案,使免電池、免維護的傳感器節點成為可能,配合環保節能的趨勢,并顯著降低總擁有成本。

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