收获的能量为工业自动化传感器网络提供动力

近程传感器网络用于工厂、工业综合体和商业建筑的无线通信，提高了制造效率、安全性、可靠性、自动化和安全性。应用包括环境/环境监测、工业楼宇自动化和安全、访问控制、结构健康监测、轮胎压力监测系统、罐位监测、药品运输的无线冷链跟踪和嵌入式自主传感器的灵活智能卡，等等。

直到最近，几乎所有的传感器网络都使用昂贵的有线数据通信和电源连接。转向无线协议消除了数据通信线路，但仍然需要电源。AA电池等电池已经提供了一种供电解决方案，但当它们磨损时更换它们可能会很昂贵，特别是当传感器安装在墙后或其他类似无法到达的位置时。

现在，能量收集传感器节点正与超低功率无线电收发器相结合，以实现各种短程无线传感器网络，用于建筑和工业自动化，无需更换电池。

随着ISO/IEC等组织发布标准，以及系统供应商展示了使用符合标准、可互操作的技术和产品的自供电无线监测和控制系统对可持续建筑的好处，这些解决方案正在形成势头。近程无线电收发器在提高这种新型无线传感器的效率方面发挥着关键作用，这些传感器在工业自动化环境中使用收集的能量。

能量收集无线传感器

由收集的能量供电的工业无线传感器网络可用于执行各种有用的功能，包括工厂自动化、测量和控制。今天，一些系统供应商正在开发和推广用于可持续建筑的自供电无线监控系统，使用使用能量收集技术的自供电无线监控系统标准。

能量收集传感器节点使用低成本集成电路来执行传感、信号处理、通信和数据收集功能，还包括低功耗无线通信接口。在无线电链路方面，传感器设计人员正在寻找保持通信时间短、频率低且主要是单向的方法。此外，为了建立即使在低发射功率下也能提供良好范围并避免干扰碰撞的通信频率，需要正确的选择。这允许使用小型和低成本的能量收集器，可以与类似的电池供电设备竞争。

一个基本的能量收集无线传感器由以下模块组成(见图1):

• 用于检测和量化应用中所需的任何数量的环境参数的传感器
• 一种能量收集传感器，将某种形式的环境能量转换为电能。
• 电源管理模块，用于放大传感器节点所需的能量，调节供电电压，实现传感器节点所需的储能管理
• 微控制器管理来自传感器的信号并与无线电链路通信
• 在传感器节点上具有或不具有射频唤醒接收器功能的无线电链路。

传感器的输出通常连接到微控制器，微控制器处理测量感兴趣的参数(如温度、压力、加速度等)产生的信号。微控制器通常将这些信息馈送到无线电，并在规定的时间间隔内控制其激活，或对射频唤醒接收机产生的特定事件的发生做出响应。

利用收集的能量工作的无线传感器有一组特殊的需求，比传统的无线传感器更严格。其中最重要的是电力效率。微控制器和无线电必须在低功率模式下工作，以最大限度地延长电源寿命。电源的损耗可以由稳态或有功功耗决定，这取决于无线电和微控制器的静态电流，以及发射器功率和占空比，以及任何所需信号处理的复杂性和持续时间。降低功耗的一种方法是通过微控制器固件算法，有效地管理上电和下电序列、模数转换和事件驱动中断。但这还不够。

超低功耗收音机

优化能量收集无线传感器功率效率的另一个关键方法是使用超低功率短程无线电收发器。有许多与收发器实现相关的因素，如果适当解决，可以显著提高电源效率。其中包括以下内容。

电力供应

收发器的电源要求是设计和应用工业能量收集无线传感器的关键因素。要从能量收集源运行传感器，最好使用低于2v的电源电压。这意味着短程无线电收发器必须设计为低电压操作——理想情况下，低至1.1 V，以优化设计灵活性并减少电源管理限制。相比之下，在2.5 V电压下工作的收音机消耗的电量是在1.25 V电流下相同消耗的收音机的两倍。只有当输出功率超过5 dBm时，才需要在更高的电压下工作。在近程应用中，输出功率很少超过0 dBm。其他关键的电源考虑因素包括保持收发器和接收机性能的能力，以及使用没有过多峰值的电流剖面来适应电源阻抗。

峰值电流

峰值电流是另一个关键的收发器参数。几乎所有基于无线的传感器网络都依赖于负载循环来节省功率和限制无线电空间的使用。这会在传感器的当前消耗剖面中产生峰值。无线电收发器中的低峰值电流消耗减少了对无线传感器电源的限制。这些限制对于使用收集的能源的无线传感器来说更加重要。通常，能量采集传感器具有比电池更高的输出阻抗。换能器和传感器之间的微功率管理层转换电源特性，包括源阻抗。因此，无线电收发器中的低峰值电流消耗减少了对无线传感器电源的限制。

功率放大器(PA)

要考虑的第三个问题是无线电发射机的PA，其功耗可能非常大。许多IEEE 802.15.4或蓝牙无线电在25米的自由空间范围内消耗25-40兆瓦，浪费了95%以上。影响功率消耗的三个主要因素是发射机PA的接收灵敏度、输出阻抗和载波频率。它们是相加的，在同一个范围内，它们一起可以代表PA功耗变化的两个数量级以上。

在这些PA因素中，PA接收机灵敏度是特别重要的，它定义了在给定的范围内必须辐射多少功率。大多数收音机都在-85 dBm到-95 dBm的灵敏度范围内，导致PA功耗增加10倍。输出阻抗也会影响PA功耗，大多数收音机的输出阻抗都低于100欧姆。低阻抗仅适用于远程应用中的高输出功率，与更适合短距离无线互连应用的高输出阻抗选项相比，低阻抗可导致高达5倍的电流消耗。总的来说，假设接收机灵敏度和PA效率相似，900 MHz的高阻抗无线电仅使用1 mW的PA就可以达到与50 Ohm 2.4 GHz无线电使用25 mW至40 mW相同的范围。

载波频率的选择也会影响PA功耗。工业、科学和医疗(ISM)无线电波段内的两个可用选项是2.4 GHz或sub-GHz频率。在工业控制、过程自动化和公共事业市场中最流行的2.4 GHz协议是蓝牙(蓝牙SIG公司拥有)和ZigBee (ZigBee联盟)，它们提供高度复杂的链路和网络层，并支持大型和复杂的网络。它们还使消息能够远距离传输，从一个节点跳到另一个节点，但它们的频率通常非常低，从几分钟到几小时甚至几天，这至少比典型的蓝牙低能量(BLE)和ANT联盟协议堆栈替代方案低一个数量级。

然而，在低功耗和低数据速率的工业监控应用中，sub-GHz无线系统提供了几个优势，包括降低功耗，以及在给定功率下的更长的范围。Friis方程量化了sub-GHz无线电的优越传播特性，表明2.4 GHz时的路径损耗比900 MHz时高8.5 dB。这意味着900 MHz无线电的距离增加了2.67倍，因为功率每增加6 dB，范围大约翻一番。为了匹配900 MHz无线电的范围，2.4 GHz的解决方案需要超过8.5 dB的额外功率。sub-GHz载波频率的另一个好处是，它们降低了航空系统受到2.4 GHz Wi-Fi (Wi-Fi联盟)、蓝牙和ZigBee信号碰撞的风险，这些信号用于无线集线器、计算机和手机。Sub-GHz ISM频段主要用于专有的低占空比链路，不太可能相互干扰。更安静的频谱意味着更容易传输和更少的重试，这是更有效的。

此外，更窄的sub-GHz带宽创造了更高的接收灵敏度，并允许在较低的传输速率下高效运行。例如，在300mhz，如果发射机和接收机晶体误差(XTAL不准确性)都是10ppm(百万分之一)，则每个误差为3khz。为了应用程序有效地发送和接收，最小信道带宽是错误率的两倍，或6 kHz，这对于窄带应用程序非常理想。同样的2.4 GHz场景需要48 kHz的最低信道带宽，这浪费了窄带应用的带宽，并且需要更多的运行功率。

有效载荷运输时间

最后，无线传感器的总功耗受到无线电在空中传输有效载荷数据所需运行的时间的影响。这取决于数据速率要求、建立和维护通信链路的协议开销以及网络的延迟要求。

数据速率对于占空比无线链路尤为重要。平均功率几乎与链路数据速率成反比。例如，100kbps的无线电在相同的有效载荷下消耗的功率几乎是50kbps无线电的一半。对于任何给定的有效载荷，更高的数据速率可以被视为提高能源效率的一种方式。因此，在评估射频收发器时，“每比特能量”是一个比电流消耗更好的指标。但高数据速率无线电通常具有更高的峰值电流，这对于大多数小型电池或能量收集器来说是非常不可取的，因为它们会导致大而漏的存储电容器，通常只有100微法拉。

在有效载荷传输过程中，一些协议栈会产生比其他协议栈更多的开销。ZigBee和蓝牙等标准提供了高度复杂的链路和网络层，但也有较大的开销。对于超低功耗系统，“一刀切”的标准化选项很少是最佳解决方案。相反，为超低功耗应用开发解决方案的设计人员应该考虑使用最适合需求的协议。

网络的延迟需求还对有效负载传输时间和相关功耗有重大影响，包括节点用于侦听或“嗅探”的时间量，这是延迟的函数。低延迟意味着持续或频繁的嗅探。在高负载循环系统中，由于嗅探而产生的接收机功率是功率预算的最大部分。例如，在IEEE 802.15.4网状网络中，大约9%的系统功率用于接收功能。在高有效载荷系统中，嗅探可能不是主要的，但接收功率仍将超过射频预算的50%。尽可能低的接收机功耗通常是实现超低功耗射频遥测的关键。

收发器可以解决能量收集工业应用中驱动传感器效率的因素。该设计可以针对电源电压和峰值功耗进行优化，并封装在大约2毫米x 3毫米的芯片级封装中。它可以有标准的2线和SPI接口，用于使用任何标准微控制器进行控制和数据传输。微控制器中的模数转换器(ADC)连接到超低功耗模拟前端设备。参见图2。

能量收集电力技术的到来，加上超低功率收发器的进步，使得为各种工业控制和楼宇自动化应用构建智能、灵活、智能的无线传感器成为可能。正确的收发器选择对于解决驱动最佳电源效率的关键设计问题至关重要，这样短距离无线传感器网络就可以在无需更换电池的情况下执行占空比现场测量和其他功能。

- Reghu Rajan, Microsemi公司通信和医疗产品集团技术营销部(CMPG);由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，设备工程,Consulting-Specifying工程师。联系霍斯克的电话是mhoske@cfemedia.com．

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用于能量收集工业应用的传感器效率收发器

Microsemi的ZL70250器件是解决能量收集工业应用中驱动传感器效率因素的收发器解决方案的一个例子，该器件针对电源电压和峰值功耗进行了优化。它采用大约2mm x 3mm的芯片级封装，具有标准的2线制和SPI接口，用于使用任何标准微控制器进行控制和数据传输。微控制器的模数转换器(ADC)连接到超低功耗模拟前端设备，如图2所示。

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