如何實現免維護的感測器節點

感測器作為物聯網生態系統的關鍵一環，用於感知和採集溫度、溼度、距離、液位等資料，通過乙太網、Wi-Fi、藍芽低功耗(BLE)、ZigBee、Sigfox等聯接協議傳輸和彙總資料，進而通過專用軟體解析這些資料並採取行動，最終實現系統自動化、預測性維護、智慧農業、智慧醫療護理、分析物聯網世界海量資料等應用。隨著物聯網的高速增長，對資料儲存、處理和傳輸的需求越來越高，將成為專案可持續性的重大問題。可考慮設計超低功耗的嵌入式硬體平臺、能量採集的自供電、智慧系統級電源管理等方案解決設計人員面臨的能耗挑戰。

從低功耗到免電池

免電池的感測器節點可降低成本，因為無需更換電池或無需維護，感測器工作壽命更長。採用免電池的物聯網還有利於可持續發展，因為減小了對受限原材料如鈷的依賴，和回收再利用預算。電磁開關、太陽能電池、振動能量採集器是可靠的、經驗證的免電池技術，適用的應用如智慧樓宇、家居的照明控制、遠端控制，樓宇自動化的開門、窗，維護性應用的升降門執行計數器，安全應用的滅火器摘機檢測等。

低功耗互聯協議是實現免電池的關鍵，如低功耗藍芽和Zigbee? Green Power。現在低功耗藍芽無處不在，是分佈廣泛的生態系統。低功耗藍芽和Zigbee? Green Power都具有超低功耗，支援通過能量採集實現免電池的應用，支援低功耗藍芽或Zigbee? Green Power的裝置可加入Mesh網路實現在擴充套件範圍內安全地多對多通訊。

行業最低功耗的藍芽5無線電系統單晶片(SoC) RSL10極其適用於通過能量採集實現完全免電池的方案，它在接收模式功耗7 mW，深度睡眠模式功耗僅62.5 nW，獲行業最高的EEMBC? ULPMark?評分。RSL10系統級封裝(SIP)在一個6 x 8 x 1.46 mm的微型封裝中整合RSL10無線電、天線和所有的無源器件，簡化系統設計並最小化物料單(BOM)，易於設計匯入到任何智慧無線互聯應用中，且已通過美國、歐洲、日本等多國認證體系。

超低功耗的嵌入式硬體平臺：RSL10感測器開發套件

RSL10感測器開發套件結合行業最低功耗的RSL10 SIP 和Bosch Sensortec的尖端感測器技術，包括環境光、慣性和環境感測器的十多個低功耗感測器，實現功耗優化、具有超長電池使用壽命的感測器節點，用於智慧家居、智慧樓宇、資產跟蹤、個人物聯網等應用。該套件高度整合，外形緊湊，還包含軟體開發環境和可聯接到雲的移動應用程式 (App) RSL10 Sense and Control，開箱即用，從而簡化和加快開發。這App讀取該套件配套的眾多感測器，並通過MQTT將感測器資料傳送到雲，也可通過MQTT訂閱來自雲的執行器資料。例如，使用RSL10感測器開發套件可快速構建、測試和部署用於工人安全的工業可穿戴裝置或資產監控等應用。在工人安全應用用例中，可檢測跌倒，迅速發出警報，減少對緊急情況的響應時間，也可預先發現高溫有害的危險情況，最終減少受傷風險，降低運營成本，提高生產效率。

能量採集方案：RSL10太陽能電池多感測器平臺

完全由太陽能供電的新型尖端感測器開發平臺RSL10太陽能電池多感測器平臺，免電池免維護，填補能源需求的缺口。該平臺基於行業最低功耗的RSL10 SIP，結合Bosch Sensortec的超低功耗智慧感測器進行溫度、壓力和溼度持續檢測，通過低功耗藍芽傳輸資料到雲網關進行雲互聯，用於氣候控制、工人安全和移動健康等應用。

RSL10太陽能電池多感測器平臺的特性包括：

●提供持續監測技術，無需電池。

●通過RSL10 SIP提供業界最低功耗的藍芽?低功耗技術。

●待機模式下為55 nw，0 dbm 時的Rx和Tx為10 mW。

●支援信標(Beacon)和遙測傳輸。

●使用帶有Arm? Cortex?除錯聯結器(10引腳) 介面卡的SEGGER J-Link完全可重新程式設計。

●超低漏電流。

●自適應佔空比(自檢可用的能量用於傳輸)。

●雙太陽能電池介面(通孔線焊或ZIF介面)。

●超低功耗智慧感測器。

●低壓、高精度溫度感測器，溫度範圍寬(-40至125℃)(NCT203)。

●結合數字溼度、壓力和溫度感測器(BME280)。

●智慧3軸超低功耗加速度計(BMA400)，具有整合的喚醒和睡眠功能。

●預快閃記憶體含交織Beacon韌體。

●Eddystone TLM Beacon。

●傳輸儲存電容器的電壓電平、溫度、上電後的時間以及上電後的廣告包。

●相容低功耗藍芽(BLE) Scanner應用程式(iOS?或Android?)。

●定製環境服務Beacon。

●傳輸溫度、溼度和壓力。

●B-IDK CMSIS-Pack中提供了軟體庫和示例。

●支援各種照明條件(人工照明或太陽能燈，低至180 lux)。

能量採集方案：藍芽低功耗開關

安森美半導體的藍芽低功耗開關完全以採集的能量工作，實現真正自供電的物聯網應用，應用示例包括牆面和照明控制、樓宇自動化和資產跟蹤。該方案結合行業最低功耗的RSL10 SIP和採埃孚股份公司(ZF Friedrichshafen AG)的高效能能量採集開關，每次按下及鬆開按鈕產生350 μJ能量相當於在0 dBm每一傳輸訊號只消耗17微焦(μJ)。這藍芽低功耗開關無需降壓-升壓，減少BOM達25%，相容安森美半導體的物聯網開發套件(IDK)和藍芽IDK (B-IDK)，包括感測器、聯接和致動器器件的全面陣容，易於聯接到標準的BLE Scanner或移動/照明應用程式(iOS?或Android?)，並配有完整的BoM、電路圖、PCB佈局和Gerber檔案，以及免費使用的開關端韌體。

能量採集方案：Zigbee Green Power開關

Zigbee Green Power 基於IEEE 802.15.4 規範，針對通過能量採集實現免電池的自供電裝置。安森美半導體的Zigbee Green Power能量採集開關方案含1個能量採集開關、1個基於NCS36510的Zigbee Green Power模組和Zigbee3.0 GP協議棧，優勢包括：免電池免維護，具成本優勢，遠距離聯接，安裝簡單，相容商用產品，本地Mesh。NCS36510是超低功耗的SoC射頻收發器，接收功耗和傳送功耗分別低至6.7 mW和6.0 mW。該方案的典型應用如照明控制、自動開門/窗等。

RFID技術

射頻識別(RFID)標籤利用天線提供的功率為晶片供電，並以資料形式傳送返回訊號。這資料可能是解鎖車門的指令、獨一無二的ID、感測器的檢測資料如溫度。RFID讀取範圍為高頻10 cm，無源超高頻(UHF)約10 m (因讀卡器功率、天線設計、標籤設計、方向不同而有所不同)，有源UHF約100 m。安森美半導體的智慧無源無線感測器是免電池的RFID感測器，提供溫度監測、距離檢測、漏水檢測和液位檢測，能同時讀取幾百個標籤，極具成本優勢，即剝即貼即讀，易於採集執行資料以分析和採取行動，實現快速部署，無需維護，適用於具挑戰性的環境如牆後、移動物體等，讀卡器可裝在固定的天花板、門、桌、架子或移動的手持裝置、機器人、無人機，用例包括會議室分時段的佔位檢測、辦公室溫度監測、空氣品質監測、資產管理、倉庫漏水檢測、工廠電機溫度/振動監測、電氣開關裝置監測等等。

智慧系統級電源管理實現10年電池使用壽命

物聯網節點有兩種典型的工作模式：有源模式和低功耗模式。在大多數用例中，裝置處於有源模式的時間百分比(稱為佔空比)很小，99%的時間都處於空閒或低功耗模式，僅需電池提供極低功率。因此，充分利用物聯網節點的雙模式特性，採用睡眠佔空比技術，最小化有源模式的時間，儘可能延長低功耗模式的時間，可顯著降低系統功耗，有助於延長電池使用壽命。

採用低靜態電流的低壓降穩壓器(LDO)，用於低佔空比物聯網應用，有助於實現10年電池使用壽命。如安森美半導體的雙模式50 nA LDO NCP171，提供有源模式下達80 mA的電流，和低功耗模式下低至50 nA的靜態電流。NCP171創新的雙模式結構在有源模式下具有可靠的射頻傳輸所需的出色的噪聲和動態效能，以及精確感測所需的極低噪聲效能，同時提供低功耗模式下的超低Iq以延長電池使用壽命。這兩種LDO模式可通過切換專用ECO引腳來選擇。NCP171還可在切換到低功耗模式時內建電壓偏移，以進一步降低系統功耗，從50 mV到200 mV不等。而且，與傳統降壓穩壓器相比，由於器件數更少，佔位更小，因而降低總成本。

總結

物聯網應用中的感測器隨物聯網的高速發展而激增，需要通過超低功耗的嵌入式硬體平臺、能量採集的自供電、智慧系統級電源管理等方案解決設計人員面臨的能耗挑戰。安森美半導體提供智慧系統級電源管理方案實現10年電池使用壽命，還結合能量採集和低功耗藍芽、Zigbee Green Power等超低功耗無線互聯技術以及基於RFID技術的方案，使免電池、免維護的感測器節點成為可能，配合環保節能的趨勢，並顯著降低總擁有成本。