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無線傳感器/變送器原理及功能實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2024-07-16 點(diǎn)擊數(shù):156

下圖是本公司的一款型號(hào)SWSN-T2的無線溫度傳感器 ,它可以在7200mAh的內(nèi)置電池1秒的采樣間隔的情況下,電池連續(xù)使用1年以上。如果5秒采樣一次,電池使用壽命就有5年以上了,而且距離是空曠1000米。我覺得在很多文章里面理論的東西太多 ,實(shí)際上在產(chǎn)品開發(fā)供應(yīng)的時(shí)候,由于受很多硬件條件的限制,怎么樣在這個(gè)限制下將產(chǎn)品做好是不完全一樣的。

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一、超低功耗如何實(shí)現(xiàn)

我們知道原來的傳感器都是模擬電路,這個(gè)測量都是連續(xù)而且高功耗的,隨著數(shù)字電路的興起,我們所有的采樣都已經(jīng)是離散型,但是為了盡可能的保留被測參數(shù)的原始特性,我們的采樣速率都很高,從最少的每秒幾十次到幾十兆次。但我們知道,在實(shí)際應(yīng)用中很多參數(shù)我們只需要每秒采樣一次甚至每分鐘采樣一次就可以,只要這個(gè)采樣是精確可靠的。那么我們的低功耗的實(shí)現(xiàn)方法就出現(xiàn)了,我們可以只使用1%不到的時(shí)間來工作,其它的時(shí)間都讓整個(gè)系統(tǒng)包括采樣電路處于超低功耗的待機(jī)狀態(tài),對無線的部分的控制也是這樣的,即無線部分的工作時(shí)間也是嚴(yán)格控制不要超過1%,這樣整個(gè)系統(tǒng)的功耗就可以呈現(xiàn)數(shù)量級的降低。

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二、采樣傳感器的選擇

 

下圖顯示的是SWSN-P2型無線壓力變送器的圖片,傳感器是擴(kuò)散硅為主。

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我們知道壓力變送器的傳感器種類也很多,常見的有擴(kuò)散硅和電容式的,但是我們在開發(fā)的時(shí)候發(fā)現(xiàn),電容式的要做成低功耗相對困難一些,這個(gè)要實(shí)現(xiàn)采樣的低功耗,其實(shí)從兩個(gè)方面來做工作,一個(gè)是降低采樣電路的的工作電流,一個(gè)是減少采樣的穩(wěn)定工作時(shí)間,很多時(shí)候穩(wěn)定工作時(shí)間比電路的功耗更重要,因?yàn)槊看尾蓸忧安蓸与娐凡砰_啟,采樣完成后采樣電路是關(guān)閉狀態(tài)。所以傳感器和采樣電路能夠快速采樣并且快速穩(wěn)定是工作的重點(diǎn)。

   再比如我們常見的環(huán)境量如二氧化碳含量的檢測,因?yàn)閭鞲衅鞯姆€(wěn)定時(shí)間太長,所以做成低功耗將變得非常困難,這也是一個(gè)傳感器發(fā)展的方向,快速同時(shí)低功耗。

 

三、采樣方式的處理

在傳感器的數(shù)據(jù)采樣中經(jīng)常會(huì)有一些干擾,所以除了要傳感器以及采樣電路的低功耗,數(shù)據(jù)采樣后的后期處理也變的非常重要,比如由于追求數(shù)據(jù)高速采樣,但有時(shí)候有一定的比例傳感器采樣的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定時(shí)候的數(shù)據(jù),這里就需要有個(gè)判斷,即本事采樣的數(shù)據(jù)是否是穩(wěn)定的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)一些異常的話就需要及時(shí)重新采樣,以確保采樣值的準(zhǔn)確穩(wěn)定。

 

四、無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和處理

無線傳感器功耗最難的地方不是采樣的低功耗,更不是待機(jī)的低功耗,所以我們碰到好多產(chǎn)品說待機(jī)功耗如何如何低,但是卻回避了低功耗的重點(diǎn),重點(diǎn)是無線系統(tǒng)的協(xié)調(diào),因?yàn)槿绻麩o線協(xié)調(diào)時(shí)間比較長的話,功耗是非常大的。例如我們知道無線部分開啟的話,即便不發(fā)送數(shù)據(jù),電流值是不會(huì)低于20mA的,發(fā)射功耗一般不會(huì)低于50mA,如果這一塊處理不好,功耗不可能低,這也是為什么我們很多設(shè)備號(hào)稱功耗很低,用的是zigbee的協(xié)議,最后效果很差的原因。我們可以想一下,如果每次數(shù)據(jù)發(fā)送需要100mS時(shí)間,也就是十分之一秒,好象時(shí)間蠻短的吧,但算一下功耗,一秒一次發(fā)送平均功耗就到了5-10mA ,2000mA的高容量鋰電池,也抗不了10天電量就耗光了。

   但是,無線使用的時(shí)間也不是想減少就能減少的,因?yàn)橐乐箓鞲衅髦g相互沖突,需要做協(xié)調(diào),這就需要有一個(gè)高效的底層協(xié)調(diào)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。大家的教科書里面講了各種的同步算法,這里就不累述了,這些算法可以綜合運(yùn)用,但也不能拘泥于這些算法,不然就談不上創(chuàng)新了,大家要有這個(gè)意識(shí)。

  順便說一下zigbee 這個(gè)協(xié)議的出現(xiàn)有其突出的歷史地位,沒有人能夠否認(rèn),作為教學(xué)的一部分也無可厚非,但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不完善,而且實(shí)用性不夠,這也逼迫我們開發(fā)自有的無線傳感協(xié)議。

 

五、工業(yè)無線傳感器的痛苦道路

在工業(yè)無線傳感器領(lǐng)域,有個(gè)公司不得不提,那就是愛默生公司,著名的Hart協(xié)議產(chǎn)品的供應(yīng)商,也是世界上最著名的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商,他們有一個(gè)自有協(xié)議的Wireless Hart協(xié)議的工業(yè)無線傳感器系列產(chǎn)品,和zigbee協(xié)議產(chǎn)品類似,過于短的無中繼通信距離,是一個(gè)跨越不了的技術(shù)短板。不論是zigbee協(xié)議還是Wireless Hart協(xié)議產(chǎn)品,空曠200多米,有障礙環(huán)境20米不到,將使施工和應(yīng)用變得異常艱難。所以我們被迫研發(fā)自有的SWSN協(xié)議,將無中繼距離擴(kuò)展5倍,同時(shí)功耗卻更低。這個(gè)過程由于異常困難,整個(gè)歷程是充滿艱辛和痛苦的。

涉及到衛(wèi)星通信技術(shù)的人都知道,使用一些特殊的編碼,比如前向糾錯(cuò)編碼,能在功率相同的情況下,大大提高通信的有效距離,這個(gè)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用上必將起到不可忽視的作用,因?yàn)椋偷墓?,更遠(yuǎn)的無中繼通信距離,永遠(yuǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心問題,徹底的解決了這個(gè)問題,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣才能成為可能。

 

六、無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)組織核心

在zigbee的網(wǎng)絡(luò)中,有終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和中心協(xié)調(diào)器三個(gè)設(shè)備組成,但是我們在做自有的SWSN協(xié)議的時(shí)候,力圖使這個(gè)過程變得簡單,同時(shí)是分布式的,所以我們將中繼、路由和協(xié)調(diào)功能集成到了我們自有的路由器中,實(shí)現(xiàn)了5跳的網(wǎng)絡(luò)布局,在我們看來,大部分情況下3跳網(wǎng)絡(luò)就是可以滿足要求的,跳數(shù)越多,意味著越多的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和越低的數(shù)據(jù)傳輸可靠性,這個(gè)不以人的意愿為轉(zhuǎn)移的。

 

七、低功耗的綜合處理

在無線傳感器中,有很多廠商采用自己的低功耗采樣電路+獨(dú)立的無線傳輸模塊來做,所以功耗并不能真正降低下來。只有從低層做自己的協(xié)議,將采樣、無線協(xié)調(diào)綜合調(diào)控起來,才能達(dá)到超低功耗,這個(gè)事情省不了。

   按照我們的協(xié)議處理方式,在無線傳感器的所有功耗中,待機(jī)功耗占用最少,不到10%,采樣功耗大概占用10-20%,無線部分的功耗占總功耗的70%左右,這也就意味著,除了協(xié)議的高效,還有一個(gè)方法也可以降低功耗,那就是每次采樣后,我們將采樣結(jié)果和上次傳輸?shù)臄?shù)值進(jìn)行比較,如果變化很小,小到可以忽略,那么我們?yōu)槭裁催€要耗費(fèi)能量重新傳輸一次這個(gè)數(shù)值呢?

 

八、綜合應(yīng)用打通互聯(lián)

無線傳感器的應(yīng)用,從來不是獨(dú)立的,他必須和各種有線傳感設(shè)備,更大的廣域網(wǎng)絡(luò)互通,做到開放兼容,才能慢慢被市場接受,因此我們的市場化產(chǎn)品里,有很多數(shù)據(jù)接收設(shè)備和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān),我們發(fā)現(xiàn),這一塊解決好了,用戶才能接受我們的產(chǎn)品,否則會(huì)距離用戶很遙遠(yuǎn),還有一個(gè)我們堅(jiān)信的道理:協(xié)議是用出來的,不是有些設(shè)計(jì)院所在實(shí)驗(yàn)室里憑空想象出來的。所以現(xiàn)在爭論誰的協(xié)議好,有點(diǎn)早,大家說是吧。

   另外,我覺得國內(nèi)的470M頻段更適合使用在無線傳感器領(lǐng)域,請大家也關(guān)注一下,不要國外的人搞2.4G的,我們也跟著搞2.4G的,要有個(gè)理由先。


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