对先进技术和物联网(IoT)的日益依赖,推动了对传感器的需求,这些传感器可方便地从少量到大量部署,并且提供低扩展成本和免维护。

技术的进步使许多不同类型设备之间的互联成为可能。始于智能手机的互联已经演变成温控器、家电、车辆和其它被称为物联网(IoT)设备的联网。物联网由通过各种接口来回传输数据的许多设备组成,无线云接口是最常见的接口。随着互连设备数量不断增长,对更多数据的需求也随之增长。

产生数据的来源很多,电子传感器通常用于收集互联设备的数据。传感器是一种将物理或环境特性如温度和湿度转换成电信号的器件。

对数据的需求推动了不同类型传感器市场的增长,如为系统提供工作所需数据的温度、湿度、压力和距离传感器。由于物联网以前所未有的动能处理来自不同渠道的的数据,电子传感器将更加普及。据 Markets and Markets研究,全球传感器市场预计将在2022年超过380亿美元。从更多地点获取更多传感器数据的需求将推动新型传感器的开发,这些传感器体积更小、功耗和成本更低,并且易于大量和在狭小空间部署。

电子传感器结构

传统的电子传感器无论设计怎样,都包含相同的功能模块。传感器的核心模块是实际的感测元件。感测元件是传感器的一部分,它对传感器环境作出响应,并将环境条件转换为电参数。除了感测元件,传感器还需要电源用于传感器内部的电子元件和数据处理及互联电路。大部分电子传感器包括感测元件、电源模块和位于每个感测节点的数据处理模块。随着需要更多的感测数据,扩展到多个感测节点所需的成本成为一些应用的障碍。传感器电源和通信模块所需器件的物理尺寸限制了小尺寸传感器的选用,而由电池供电的传感器涉及维护和环境问题,这也限制了传感器在某些应用中的部署。传统的电子传感器的成本和尺寸限制了传感器网络的扩展或进行智能感测的多传感器系统或一次性传感器的部署,阻碍了物联网的进一步发展。

所以需要一种替代方法,最理想的是不用依赖笨重又昂贵的电池、微控制单元(MCU)及相关电路。许多连接的传感器大部分时间都处于待机或睡眠模式以延长电池使用时间,仅在被唤醒与主机系统交换小数据包期间,才需要电源和智能。如果传感器可以暂时由外部电源供电,并且大部分数据处理都在外部完成,便可实现具性价比的传感器网络的扩展,并使多感测传感器或一次性传感器等创新在经济上可行。

有一种技术可以提供解决方案:无线无源传感器已经可由存储器加载,通过无线阅读器询问或重写,并由阅读器传输的RF场中的能量激活。传统的RFID通信标准已得到验证,是稳定可靠的,提供了将感测功能与传统电子传感器所需的电源和控制电路分开的、开发新的智能无源传感器的强大平台。

智能无源传感器 智能无源传感器可以更大地发挥RFID技术和标准所具的潜力,以支持便利和高能效的无线数据交换。图1显示了智能无源传感器的关键功能元件,包括天线、刺激检测器和传感器块控制IC,通过集成一个印制天线和刺激检测回路及一个射频IC来实现无源传感器标签功能。

智能无源传感器使用行业标准UHF Gen 2协议进行通信,并且可以用合适的RFID阅读器读取。一些固定或手持式商用阅读器已经通过了标签和功能验证。安森美半导体的智能无源传感器生态系统提供了一种电池供电的便携式阅读器,内置天线、图形用户接口和物联网互联功能,可作为收集传感器标签数据的中枢。

当阅读器启动通信时,自调节传感器IC通过测量刺激回路中的阻抗变化来检测湿度或压力,并将这些数据以及来自片上温度传感器的数字化温度数据发送给阅读器。传感器监测几个参数,包括检测距离、运动或存在的接收信号强度(RSSI)以及温度和湿度。每个传感器还有一个可编程的EPC代码作为唯一的识别标识。RFID前端自动补偿环境变化,以感测湿度、压力和其它参数。

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图1:智能无源传感器将RFID技术与无源、无MCU的先进感测块结合起来。

典型应用

低成本或一次性无源传感器可使大量重要的应用受益。例如,通过监测数据中心服务器机架内或工业电源开关内高功率断路器连接处多个位置的温度,可以监控温度变化趋势,快速检测异常升高的温度,以便进行预防性维护或采取纠正措施。智能无源传感器直接连接到金属外壳、器件封装或散热片等部件,可对所有传感器射频范围内的阅读器发出的周期性询问作出响应。

图2所示的监控策略基于智能无源传感器和连接到云的RFID阅读器/收发器,可以提供比人工测温或热成像等其它方法更即时、更具性价比的保护设备的方法。

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图2:多个智能无源传感器可以高性价比地监测几个地点的温度。

无源智能传感器标签也适用于数字农业应用,例如在牲畜监测应用中可以检查牲畜疾病或验证牲畜排卵周期。农民还使用RFID标签进行动物识别和跟踪,可注射标签的行业标准已经确立。通过在设备或系统方面增加投资,智能无源传感器帮助进一步改善动物健康、提高养殖业产量。

同样,使用智能无源传感器进行湿度或压力检测已在医疗、工业测试以及汽车舒适性和安全性等方面得到应用。在医疗领域,湿度传感器可以不显眼地附着在医院床单上来检测病人的入住率和床位余量,非侵入式温度传感器可以连接到病人的皮肤(图3),并使用附近的阅读器无线监测。

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图3:无线体温传感器标签快速启用,舒适又方便。

更多的应用包括汽车行业中的漏水测试:在漏水测试开始前将一组智能无源传感器快速、高效地安装在汽车中,免除了费力的人工探测,同时简化了数据收集和分析。

此外,检测汽车安全带状态的湿度和压力感测及额外的距离感测,可以实现比传统的座椅内有线或气囊系统更智能的汽车占位检测。智能无源传感器能区分人体和置于座椅上的物体,只需很少的额外成本,就可很容易地将感测扩展到后排乘客座椅和可移动座椅。

从家庭自动化和互联汽车到工业控制、质量检测、农业、医疗、建筑、供应链管理等众多应用中,智能无源传感器标签还可完成许多其它的漏水检测、占位感测和温度或湿度水平监测。

总结

智能无源传感器为无处不在的感测带来了新的选择,可以监测压力、温度、湿度或距离,消除了体积、功耗和成本等传统的智能传感器考虑的问题。设备设计人员现在可以将智能系统和物联网扩展到过去难以接近的区域和应用中,而不受尺寸的限制或价格的制约。

作者:Greg Rice,安森美半导体公司

《电子技术设计》2017年11月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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