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无线传感器原理及功能实现

供稿:中国工控网 2016/9/12 13:13:23

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下图是市场上的一款型号SWSN-T的无线温度传感器 ,它可以在7200mAh的内置电池1秒的采样间隔的情况下,电池连续使用1年以上。如果5秒采样一次,电池使用寿命就有5年以上了,而且距离是空旷1000米。我觉得在很多文章里面理论的东西太多 ,实际上在产品开发供应的时候,由于受很多硬件条件的限制,怎么样在这个限制下将产品做好是不完全一样的。


一、超低功耗如何实现

我们知道原来的传感器都是模拟电路,这个测量都是连续而且高功耗的,随着数字电路的兴起,我们所有的采样都已经是离散型,但是为了尽可能的保留被测参数的原始特性,我们的采样速率都很高,从最少的每秒几十次到几十兆次。但我们知道,在实际应用中很多参数我们只需要每秒采样一次甚至每分钟采样一次就可以,只要这个采样是精确可靠的。

那么我们的低功耗的实现方法就出现了,我们可以只使用1%不到的时间来工作,其它的时间都让整个系统包括采样电路处于超低功耗的待机状态,对无线的部分的控制也是这样的,即无线部分的工作时间也是严格控制不要超过1%,这样整个系统的功耗就可以呈现数量级的降低。

二、采样传感器的选择

下图显示的是SWSN-P型无线压力变送器的图片,传感器是扩散硅为主。

我们知道压力变送器的传感器种类也很多,常见的有扩散硅和电容式的,但是我们在开发的时候发现,电容式的要做成低功耗相对困难一些,这个要实现采样的低功耗,其实从两个方面来做工作,一个是降低采样电路的的工作电流,一个是减少采样的稳定工作时间,很多时候稳定工作时间比电路的功耗更重要,因为每次采样前采样电路才开启,采样完成后采样电路是关闭状态。所以传感器和采样电路能够快速采样并且快速稳定是工作的重点。

再比如我们常见的环境量如二氧化碳含量的检测,因为传感器的稳定时间太长,所以做成低功耗将变得非常困难,这也是一个传感器发展的方向,快速同时低功耗。

三、采样方式的处理

在传感器的数据采样中经常会有一些干扰,所以除了要传感器以及采样电路的低功耗,数据采样后的后期处理也变的非常重要,比如由于追求数据高速采样,但有时候有一定的比例传感器采样的数据是不稳定时候的数据,这里就需要有个判断,即本事采样的数据是否是稳定的数据,发现一些异常的话就需要及时重新采样,以确保采样值的准确稳定。

四、无线网络的协调和处理

无线传感器功耗最难的地方不是采样的低功耗,更不是待机的低功耗,所以我们碰到好多产品说待机功耗如何如何低,但是却回避了低功耗的重点,重点是无线系统的协调,因为如果无线协调时间比较长的话,功耗是非常大的。例如我们知道无线部分开启的话,即便不发送数据,电流值是不会低于20mA的,发射功耗一般不会低于50mA,如果这一块处理不好,功耗不可能低,这也是为什么我们很多设备号称功耗很低,用的是zigbee的协议,最后效果很差的原因。我们可以想一下,如果每次数据发送需要100mS时间,也就是十分之一秒,好象时间蛮短的吧,但算一下功耗,一秒一次发送平均功耗就到了5-10mA 2000mA的高容量锂电池,也抗不了10天电量就耗光了。

  但是,无线使用的时间也不是想减少就能减少的,因为要防止传感器之间相互冲突,需要做协调,这就需要有一个高效的底层协调协议来实现。大家的教科书里面讲了各种的同步算法,这里就不累述了,这些算法可以综合运用,但也不能拘泥于这些算法,不然就谈不上创新了,大家要有这个意识。

 顺便说一下zigbee 这个协议的出现有其突出的历史地位,没有人能够否认,作为教学的一部分也无可厚非,但是这个标准并不完善,而且实用性不够,这也逼迫我们开发自有的无线传感协议。

五、工业无线传感器的痛苦道路

在工业无线传感器领域,有个公司不得不提,那就是爱默生公司,著名的Hart协议产品的供应商,也是世界上最著名的工业自动化产品供应商,他们有一个自有协议的Wireless Hart协议的工业无线传感器系列产品,和zigbee协议产品类似,过于短的无中继通信距离,是一个跨越不了的技术短板。不论是zigbee协议还是Wireless Hart协议产品,空旷200多米,有障碍环境20米不到,将使施工和应用变得异常艰难。所以我们被迫研发自有的SWSN协议,将无中继距离扩展5倍,同时功耗却更低。这个过程由于异常困难,整个历程是充满艰辛和痛苦的。

涉及到卫星通信技术的人都知道,使用一些特殊的编码,比如前向纠错编码,能在功率相同的情况下,大大提高通信的有效距离,这个在无线传感器网络的发展和应用上必将起到不可忽视的作用,因为,更低的功耗,更远的无中继通信距离,永远是无线传感网络发展的核心问题,彻底的解决了这个问题,无线传感网络的大规模推广才能成为可能。

六、无线传感器的网络组织核心

zigbee的网络中,有终端节点、路由节点和中心协调器三个设备组成,但是我们在做自有的SWSN协议的时候,力图使这个过程变得简单,同时是分布式的,所以我们将中继、路由和协调功能集成到了我们自有的路由器中,实现了5跳的网络布局,在我们看来,大部分情况下3跳网络就是可以满足要求的,跳数越多,意味着越多的网络延时和越低的数据传输可靠性,这个不以人的意愿为转移的。

七、低功耗的综合处理

在无线传感器中,有很多厂商采用自己的低功耗采样电路+独立的无线传输模块来做,所以功耗并不能真正降低下来。只有从低层做自己的协议,将采样、无线协调综合调控起来,才能达到超低功耗,这个事情省不了。

  按照我们的协议处理方式,在无线传感器的所有功耗中,待机功耗占用最少,不到10%,采样功耗大概占用10-20%,无线部分的功耗占总功耗的70%左右,这也就意味着,除了协议的高效,还有一个方法也可以降低功耗,那就是每次采样后,我们将采样结果和上次传输的数值进行比较,如果变化很小,小到可以忽略,那么我们为什么还要耗费能量重新传输一次这个数值呢?

八、综合应用打通互联

无线传感器的应用,从来不是独立的,他必须和各种有线传感设备,更大的广域网络互通,做到开放兼容,才能慢慢被市场接受,因此我们的市场化产品里,有很多数据接收设备和数据网关,我们发现,这一块解决好了,用户才能接受我们的产品,否则会距离用户很遥远,还有一个我们坚信的道理:协议是用出来的,不是有些设计院所在实验室里凭空想象出来的。所以现在争论谁的协议好,有点早,大家说是吧。

  另外,我觉得国内的470M频段更适合使用在无线传感器领域,请大家也关注一下,不要国外的人搞2.4G的,我们也跟着搞2.4G的,要先有个理由。


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