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开源与节流并重,超低功耗+自供电为物联网时代提供终极范式

2019-11-23 10:06
世纪电源网
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伴随着工业4.0、物联网概念的兴起,以及智能家居、可穿戴产品、智慧城市、智慧交通等领域的市场快速成长,各种终端应用呈现爆发增长的态势。以物联网中应用广泛的传感器数据可见一斑——目前全球有30-50亿个传感器,到2020年将达到1000亿个之多。庞大的各种终端应用对传统的电路系统设计带来各种挑战,而特别是其中以电池供电终端的电池寿命焦虑越发显著,如何实现高效率运行以及便捷供电成为设计主要考虑因素之一。

实现低功耗系统方案可以有效降低电池更换等操作带来的运营维护成本,因而近年来超低功耗器件和平台方案层出不穷。此外,彻底解决更换电池带来的麻烦的能量采集方案也迎来了爆发式增长机会,特别是那些应用偏远或人力不便触及的场景。在这两方面,以ADI为代表的业界领先企业都在了大量的研发投入,其技术和方案具有显著的代表性。

节流第一,低功耗成为物联网时代的“主旋律”

ADI的专家在CES2019大会上曾展示了一个典型的物联网应用案例:随着自动驾驶时代不久将来的来临,道路智能化将越来越高,以道路护栏自动监测为例,未来护栏上将可能有多个无线传感器以实现道路的自主世界——不仅汽车必须是自主的,而且自主交通周围的所有基础设施也必须是自主的。通过在护栏上安装ADXL372传感器和SmartMesh IP无线网络实现护栏冲击检测信息收集和传输,碰撞信息可在本地处理,然后传输到聚合器并向一线救援人员发出警报,从而还可更快地提供急需的帮助,并可能拯救更多生命。其他类型的交通基础设施也是如此,例如桥梁、高速铁路,任何类型的铁路一样面临这样的维护操作以确保其操作安全。

ADI展出基于ADXL372传感器和SmartMesh IP无线网络实现护栏冲击检测。

在上面的应用案例中所采用的ADI方案有显著的特点——低功耗。作为一款3轴、±200 g 的MEMS加速度计,ADXL372以3200 Hz输出数据速率(ODR)工作时功耗为22 μA。除了超低功耗以外,ADXL372还具有许多其他特性来实现冲击检测以及系统级节能。该器件包含了一个深度多模式输出先进先出(FIFO)、几个运动检测模式以及一种用于仅捕捉过阈值事件峰值加速度的方式。ADXL372还提供两种额外的较低功耗模式和中断驱动的唤醒特性,用于监控非活动期间的运动情况。在唤醒模式下,可以对加速度数据求均值以获取足够的低输出噪声,从而触发低g阈值。在即时导通模式下,ADXL372功耗为1.4 μA,同时连续监控冲击环境。当检测到冲击事件超过内部设定的阈值时,器件会切换到正常的工作模式,其速度非常快以便记录事件。

同样的,ADI公司的SmartMesh IP无线连接技术除了具备99.999%的可靠性外,其超低功耗也是其在产业中“扬名立万”的关键优势。SmartMesh网络使用时间同步通道跳变(TSCH)链路层进行通信,网络中的所有终端都在数微秒内同步。网络通信被组织成时隙,以实现低功耗分组交换、成对通道跳变和全路径分集。此外,通过使用TSCH,SmartMesh器件可以在计划通信之间以超低功耗休眠,从而使占空比通常小于1%。网络管理器利用TSCH从而可以确保终端准确地知道何时通信、监听或休眠,而且每个节点上具有超低功耗,路由节点消耗通常小于50µA。

SmartMesh IP网络用于实施IIoT和预测性维护操作的示意图。

类似的,超低功率传感还能为工业环境监测带来好处。业界通过结合ADXL357 超低噪加速度计和 ADuCM3029进行边缘节点处理,可利用板载 FFT 处理振动数据,帮助执行预防性维护及检测警告信号。这些信息可帮助工厂人员及早采取纠正措施来避免故障和代价高昂的停工。

开源实现“长治久安”,本地能量采集实现永久供电

再低的能耗也终究有电池耗尽的一天。按照SmartMesh的官方数据,其低功耗可以确保一节电池实现8~10年的持续运行。然而即使这样,未来的一次换电依然可能成本高昂。为此,业界多年来持续研发能量采集方案,环境能量采集后由电源管理装置或 PMU 将采集的电力转化为可用电力。

为了最高效地设计一种自供电系统,首先最好是评估一下能够从可用的能量中采集多少电力。对于光伏系统,即是指可用的光能。如果使用热电采集器,需要一种可开发的温度梯度量度,而对于振动采集来说,需要加速度水平和振动频率来开发高效的自供电系统。根据可用的环境能量来选择采集器类型。设计传感器节点时需考虑到能量预算,利用超低功率系统设计技术来减小传感器节点的电力需求。采集器和储能器的尺寸调整及传感器节点的设计往往是一个迭代过程。

为此,ADI开发了一系列能够提供高效功率转换和高度优化储能器使用率的 PMU,且这些PMU在休眠时都只会消耗很小的电流。例如超低功率升压调节器ADP5091可有效地利用和转换“室内”环境光,具有低至10 µW的有效转换率和不足µW的功率损耗。它还能利用开路电压传感来优化能量提取。

生活及工业领域常见的能量采集应用实例(右侧为电力线故障监测节点demo)。

超低功率升压转换器和电源管理器LTC3109是另一种类似的PMU ,该器件专门为诸如热电式发电机、热电堆或小型太阳能电池等采用间歇性和低能级电源,从而必须采用低输入电压的应用而设计。LTC3331则设计用于从两个来源进行多模采集,从而能够在特殊的环境中采集更多能量。此外,诸如太阳能电池或热电式发电机等直流电源能够与高电压压电采集器配对使用,以帮助最大化所采集的能量。

超低功耗和自供电为物联网应用铺设未来

物联网的普及带来一波边缘节点设备和应用的爆发,让业界越来越多的认识到在边缘节点收集和处理信息的作用和价值。但需要记住的是,只有当维护这些传感解决方案的成本低于结果数据的价值时,才可能在数据产生的末端环境中实现无处不在的传感,而其关键可能在于能量采集和管理技术的优化。ADI的超低功率微控制器和传感产品组合可在节点高效地处理信息,从而让更多的传感系统实现超低功耗超长“在线”甚至永续的自供电。通过在这些环境中部署自供电的传感器节点,可获得一种总体拥有成本较低的解决方案,在之前被认为是不切实际的区域实现传感,并最终解决之前无法解决的挑战。

来源:21Dianyuan

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