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無(wú)線(xiàn)傳感器/變送器原理及功能實(shí)現

發(fā)表時(shí)間:2018-6-26 19:05:29  閱讀次數:

下圖是本公司的一款型號SWSN-T2的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器 ,它可以在7200mAh的內置電池1秒的采樣間隔的情況下,電池連續使用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(jué)得在很多文章里面理論的東西太多 ,實(shí)際上在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)供應的時(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。

 

一、超低功耗如何實(shí)現

我們知道原來(lái)的傳感器都是模擬電路,這個(gè)測量都是連續而且高功耗的,隨著(zhù)數字電路的興起,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)際應用中很多參數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)現方法就出現了,我們可以只使用1%不到的時(shí)間來(lái)工作,其它的時(shí)間都讓整個(gè)系統包括采樣電路處于超低功耗的待機狀態(tài),對無(wú)線(xiàn)的部分的控制也是這樣的,即無(wú)線(xiàn)部分的工作時(shí)間也是嚴格控制不要超過(guò)1%,這樣整個(gè)系統的功耗就可以呈現數量級的降低。

 

二、采樣傳感器的選擇

 

下圖顯示的是SWSN-P2型無(wú)線(xiàn)壓力變送器的圖片,傳感器是擴散硅為主。

我們知道壓力變送器的傳感器種類(lèi)也很多,常見(jiàn)的有擴散硅和電容式的,但是我們在開(kāi)發(fā)的時(shí)候發(fā)現,電容式的要做成低功耗相對困難一些,這個(gè)要實(shí)現采樣的低功耗,其實(shí)從兩個(gè)方面來(lái)做工作,一個(gè)是降低采樣電路的的工作電流,一個(gè)是減少采樣的穩定工作時(shí)間,很多時(shí)候穩定工作時(shí)間比電路的功耗更重要,因為每次采樣前采樣電路才開(kāi)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定是工作的重點(diǎn)。

   再比如我們常見(jiàn)的環(huán)境量如二氧化碳含量的檢測,因為傳感器的穩定時(shí)間太長(cháng),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

在傳感器的數據采樣中經(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,數據采樣后的后期處理也變的非常重要,比如由于追求數據高速采樣,但有時(shí)候有一定的比例傳感器采樣的數據是不穩定時(shí)候的數據,這里就需要有個(gè)判斷,即本事采樣的數據是否是穩定的數據,發(fā)現一些異常的話(huà)就需要及時(shí)重新采樣,以確保采樣值的準確穩定。

 

四、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調和處理

無(wú)線(xiàn)傳感器功耗最難的地方不是采樣的低功耗,更不是待機的低功耗,所以我們碰到好多產(chǎn)品說(shuō)待機功耗如何如何低,但是卻回避了低功耗的重點(diǎn),重點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)系統的協(xié)調,因為如果無(wú)線(xiàn)協(xié)調時(shí)間比較長(cháng)的話(huà),功耗是非常大的。例如我們知道無(wú)線(xiàn)部分開(kāi)啟的話(huà),即便不發(fā)送數據,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備號稱(chēng)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,如果每次數據發(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(wú)線(xiàn)使用的時(shí)間也不是想減少就能減少的,因為要防止傳感器之間相互沖突,需要做協(xié)調,這就需要有一個(gè)高效的底層協(xié)調協(xié)議來(lái)實(shí)現。大家的教科書(shū)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。

  順便說(shuō)一下zigbee 這個(gè)協(xié)議的出現有其突出的歷史地位,沒(méi)有人能夠否認,作為教學(xué)的一部分也無(wú)可厚非,但是這個(gè)標準并不完善,而且實(shí)用性不夠,這也逼迫我們開(kāi)發(fā)自有的無(wú)線(xiàn)傳感協(xié)議。

 

五、工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器的痛苦道路

在工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器領(lǐng)域,有個(gè)公司不得不提,那就是愛(ài)默生公司,著(zhù)名的Hart協(xié)議產(chǎn)品的供應商,也是世界上最著(zhù)名的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應商,他們有一個(gè)自有協(xié)議的Wireless Hart協(xié)議的工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器系列產(chǎn)品,和zigbee協(xié)議產(chǎn)品類(lèi)似,過(guò)于短的無(wú)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(wú)中繼距離擴展5倍,同時(shí)功耗卻更低。這個(gè)過(guò)程由于異常困難,整個(gè)歷程是充滿(mǎn)艱辛和痛苦的。

涉及到衛星通信技術(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和應用上必將起到不可忽視的作用,因為,更低的功耗,更遠的無(wú)中繼通信距離,永遠是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的核心問(wèn)題,徹底的解決了這個(gè)問(wèn)題,無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的大規模推廣才能成為可能。

 

六、無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò )組織核心

在zigbee的網(wǎng)絡(luò )中,有終端節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和中心協(xié)調器三個(gè)設備組成,但是我們在做自有的SWSN協(xié)議的時(shí)候,力圖使這個(gè)過(guò)程變得簡(jiǎn)單,同時(shí)是分布式的,所以我們將中繼、路由和協(xié)調功能集成到了我們自有的路由器中,實(shí)現了5跳的網(wǎng)絡(luò )布局,在我們看來(lái),大部分情況下3跳網(wǎng)絡(luò )就是可以滿(mǎn)足要求的,跳數越多,意味著(zhù)越多的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和越低的數據傳輸可靠性,這個(gè)不以人的意愿為轉移的。

 

七、低功耗的綜合處理

在無(wú)線(xiàn)傳感器中,有很多廠(chǎng)商采用自己的低功耗采樣電路+獨立的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊來(lái)做,所以功耗并不能真正降低下來(lái)。只有從低層做自己的協(xié)議,將采樣、無(wú)線(xiàn)協(xié)調綜合調控起來(lái),才能達到超低功耗,這個(gè)事情省不了。

   按照我們的協(xié)議處理方式,在無(wú)線(xiàn)傳感器的所有功耗中,待機功耗占用最少,不到10%,采樣功耗大概占用10-20%,無(wú)線(xiàn)部分的功耗占總功耗的70%左右,這也就意味著(zhù),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,我們將采樣結果和上次傳輸的數值進(jìn)行比較,如果變化很小,小到可以忽略,那么我們?yōu)槭裁催€要耗費能量重新傳輸一次這個(gè)數值呢?

 

八、綜合應用打通互聯(lián)

無(wú)線(xiàn)傳感器的應用,從來(lái)不是獨立的,他必須和各種有線(xiàn)傳感設備,更大的廣域網(wǎng)絡(luò )互通,做到開(kāi)放兼容,才能慢慢被市場(chǎng)接受,因此我們的市場(chǎng)化產(chǎn)品里,有很多數據接收設備和數據網(wǎng)關(guān),我們發(fā)現,這一塊解決好了,用戶(hù)才能接受我們的產(chǎn)品,否則會(huì )距離用戶(hù)很遙遠,還有一個(gè)我們堅信的道理:協(xié)議是用出來(lái)的,不是有些設計院所在實(shí)驗室里憑空想象出來(lái)的。所以現在爭論誰(shuí)的協(xié)議好,有點(diǎn)早,大家說(shuō)是吧。

   另外,我覺(jué)得國內的470M頻段更適合使用在無(wú)線(xiàn)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(zhù)搞2.4G的,要有個(gè)理由先。

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