具有能量收集功能的傳感器才是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵

物聯(lián)網(wǎng)依賴于在正確的時(shí)間以正確的格式，這就是為什么能量收集無(wú)線傳感器是特殊利益的獲得良好的質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)，馬蒂亞斯寫道。

能量收集無(wú)線傳感器已經(jīng)引發(fā)了急劇上升的興趣，因?yàn)樗鼈兇恚峁┰谄渖系臇|西，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）模型依賴的基本輸入數(shù)據(jù)的可靠和易于安裝的技術(shù)。創(chuàng)建處理的基本數(shù)據(jù)的采集，處理和傳輸與可以從環(huán)境中收集的最小能量的傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在索特ecoUnit無(wú)線室操作單元，溫度傳感器供電的太陽(yáng)能電池，使增加的舒適性與顯著降低了能耗。

有在能量收集無(wú)線傳感器三個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)：產(chǎn)生（收獲）所需的能量，傳感和處理環(huán)境參數(shù)（溫度，濕度，位置），并以無(wú)線方式發(fā)送所收集的信息。所有三個(gè)任務(wù)需要優(yōu)化在一起以提供可行的解決辦法。

高能效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能量通過(guò)的IoT傳感器收集的最常見(jiàn)的形式是動(dòng)能，太陽(yáng)能和熱（見(jiàn)方框?qū)γ妫?/p>

所有三個(gè)收集技術(shù)提供相對(duì)少量的能量（通常在微安范圍）。功耗優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)因此，必須使基于這些能源的無(wú)線傳感器。

三個(gè)主要任務(wù)定義一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功率預(yù)算 - 傳感器測(cè)量，無(wú)線傳輸和空閑（不活動(dòng)）狀態(tài)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須平衡能量收獲與這些任務(wù)的電力需求。

這種平衡可以建立在兩個(gè)方向 - 為系統(tǒng)的功能（以及因此所需的功率）被固定，收割機(jī)被縮放，或收割機(jī)的能量輸送是固定的，該系統(tǒng)的功能需要進(jìn)行優(yōu)化。第二種情況是比較常見(jiàn)的一種。

為了說(shuō)明的要求，考慮一個(gè)太陽(yáng)能為主房間控制單元的情況下。它的主要任務(wù)是測(cè)量溫度和濕度在一個(gè)房間里，并與用戶定義的設(shè)定點(diǎn)比較（通常目標(biāo)溫度而已，有時(shí)也目標(biāo)濕度）。

可用能量預(yù)算由可用大小的太陽(yáng)能電池（例如5平方厘米）和期望的最小照度級(jí)（200LUX六小時(shí)）的限制。

考慮標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)太陽(yáng)能電池的典型的性能，這意味著我們需要設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)消耗小于1μA平均電流。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將隨后的基礎(chǔ)上計(jì)算該電源電壓被固定到3V的假設(shè)下平均電流。為了評(píng)估的功能界限，我們將首先分配的可用能量同樣在提供有關(guān)的檢測(cè)，無(wú)線傳輸和睡眠/功耗平均電流300nA的每一個(gè)的三個(gè)主要任務(wù)。

在這篇文章中所描述的功能已經(jīng)在EnOcean公司STM 330能量采集溫度傳感器，可擴(kuò)展的HSM 100濕度傳感器得到落實(shí)。

一個(gè)優(yōu)化的溫度和濕度檢測(cè)實(shí)施將需要約1毫安電流等效為一個(gè)周期為10ms的用于傳感器操作，（通過(guò)I2C或類似總線）和初始數(shù)據(jù)處理傳感器和處理器之間的數(shù)據(jù)交換。然后，我們可以通過(guò)每天的可用能量（300nA的x 86.4s）與每次測(cè)量（1毫安x 10ms）的所需要的能量進(jìn)行比較計(jì)算，每天測(cè)量的最大數(shù)量，發(fā)現(xiàn)初始能量預(yù)算將允許每天2，592測(cè)量。

考慮到溫度和濕度的變化非常緩慢，我們需要節(jié)約能源，我們?cè)O(shè)定每分鐘測(cè)量一次（1，440每天）的速度。

移動(dòng)到無(wú)線電傳輸，我們假設(shè)為25mA格式化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄娏髟诹?25kBit / s的速率。根據(jù)現(xiàn)有的功率預(yù)算和我們計(jì)算每天的總可能的傳輸時(shí)間，這相當(dāng)于剛剛超過(guò)一秒鐘（或125000比特/ 15625字節(jié)）每天所需的傳輸電流。

關(guān)于把這個(gè)給測(cè)量可能的數(shù)量，我們可以找出能量收集無(wú)線傳感器的一個(gè)關(guān)鍵制約因素 - 無(wú)線協(xié)議必須為最小尺寸進(jìn)行優(yōu)化。我們需要限制總報(bào)文長(zhǎng)度10字節(jié)以便發(fā)送每個(gè)測(cè)量結(jié)果在一個(gè)無(wú)線報(bào)文。

從此，很明顯，無(wú)論是無(wú)線電協(xié)議和傳輸量需要進(jìn)行優(yōu)化。

能源優(yōu)化方案

與傳感器相關(guān)聯(lián)的有效載荷通常是小的（幾個(gè)字節(jié)），因此一個(gè)優(yōu)化的協(xié)議必須限制傳輸開(kāi)銷（幀控制，前導(dǎo)碼，同步，誤差檢查），同時(shí)保持高可靠性的通信盡可能地。

標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議（UDP通過(guò)IPv6）需要超過(guò)50個(gè)字節(jié)的開(kāi)銷;因此，通常本地IPv6通信是不可能在能量收集傳感器應(yīng)用。優(yōu)化的ISO / IEC 14543-3-1X協(xié)議的功率，與此相反，只需要12總共為傳感器數(shù)據(jù)的1個(gè)字節(jié)的傳輸字節(jié)。使用這樣的協(xié)議結(jié)合智能傳輸策略（的顯著改變傳輸只）使得即使使用冗余子報(bào)文，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

盡量減少損失的睡眠

能量收集無(wú)線傳感器必須是超低功耗的睡眠狀態(tài)的時(shí)間超過(guò)99.99％。最小化功率消耗在該狀態(tài)下，因此絕對(duì)必要的。

考慮到我們的設(shè)計(jì)例子，我們有300nA的總預(yù)算，需要支付到期的能量?jī)?chǔ)存到泄漏在睡眠模式下處理器消耗（以能力為基于定時(shí)器的周期性喚醒）以及損失。

功率消耗的如此低的水平是難以實(shí)現(xiàn)的，即使在最新的處理器，并且可能是最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。定制的混合信號(hào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)需要應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

從有線靠近無(wú)線

今天，對(duì)于的IoT輸入數(shù)據(jù)被在本地連接到控制器和致動(dòng)器的有線傳感器通常設(shè)置。

在這里，所有的網(wǎng)絡(luò)部件都靠近并且彼此直接連接。

這種方法非常適合于本地應(yīng)用程序具有有限的靈活性的需要在不要求數(shù)據(jù)重用。

物聯(lián)網(wǎng)，相比之下，不再需要這樣的接近。它允許集中，甚至基于云的數(shù)據(jù)處理。

因此，相同的數(shù)據(jù)可以用于多種應(yīng)用，拉低基礎(chǔ)設(shè)施成本，并允許動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

所有這些特征需要一個(gè)第二云，包括可部署和擴(kuò)展靈活傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。

使用最少的能源，這是他們從他們的周圍收獲的節(jié)點(diǎn)，提供一個(gè)適合和忘記的解決方案 - 它們可以被安裝在最偏遠(yuǎn)的位置和依靠以最小的維護(hù)或執(zhí)行注意他們的任務(wù)。

技術(shù)收集能量

能量可以從不同的來(lái)源收集;最常用的是：

動(dòng)能 - 以不同的形式動(dòng)能（橫向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)）長(zhǎng)期以來(lái)被用于產(chǎn)生電能利用電磁或壓電收割機(jī)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，該電磁能收獲是更好的選擇，因?yàn)樗峁┝嗽谝粋€(gè)較長(zhǎng)的生命周期更穩(wěn)定的能量輸出，而不老化效應(yīng)。這些收割機(jī)通常通過(guò)改變由移動(dòng)磁體相對(duì)于線圈a或通過(guò)改變磁通極性通過(guò)線圈的磁通量工作。這種類型的動(dòng)能收集為機(jī)械開(kāi)關(guān)和類似應(yīng)用的首選技術(shù)。

太陽(yáng)能 - 許多傳感器的應(yīng)用是由小型太陽(yáng)能電池供電。它們非常適合于以足夠的照明（室內(nèi)或室外），并通常用于傳感器應(yīng)用，如溫度，濕度，光照或二氧化碳傳感器的應(yīng)用程序。能量遞送可以通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上的可用空間由應(yīng)用程序設(shè)置的大小進(jìn)行縮放。

熱能 - 溫度差異可以用于產(chǎn)生基于珀?duì)柼哪芰?。?biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序?yàn)檫@些元素是冷卻的區(qū)域（例如冷卻箱）時(shí)施加電能。相反的效果 - 根據(jù)溫差產(chǎn)生的能量 - 用于熱收獲。珀耳帖元件的輸出電壓取決于溫度差，通常是非常小的（20mV的供℃的溫差）。因此專門電子器件需要利用這種能量。

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