對(duì)先進(jìn)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的日益依賴，推動(dòng)了對(duì)傳感器的需求，這些傳感器可方便地從少量到大量部署，并且提供低擴(kuò)展成本和免維護(hù)。

 

技術(shù)的進(jìn)步使許多不同類型設(shè)備之間的互聯(lián)成為可能。始于智能手機(jī)的互聯(lián)已經(jīng)演變成溫控器、家電、車輛和其它被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)由通過(guò)各種接口來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)的許多設(shè)備組成，無(wú)線云接口是最常見的接口。隨著互連設(shè)備數(shù)量不斷增長(zhǎng)，對(duì)更多數(shù)據(jù)的需求也隨之增長(zhǎng)。

 

產(chǎn)生數(shù)據(jù)的來(lái)源很多，電子傳感器通常用于收集互聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)。傳感器是一種將物理或環(huán)境特性如溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。

 

對(duì)數(shù)據(jù)的需求推動(dòng)了不同類型傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，如為系統(tǒng)提供工作所需數(shù)據(jù)的溫度、濕度、壓力和距離傳感器。由于物聯(lián)網(wǎng)以前所未有的動(dòng)能處理來(lái)自不同渠道的的數(shù)據(jù)，電子傳感器將更加普及。據(jù) Markets and Markets研究，全球傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2022年超過(guò)380億美元。從更多地點(diǎn)獲取更多傳感器數(shù)據(jù)的需求將推動(dòng)新型傳感器的開發(fā)，這些傳感器體積更小、功耗和成本更低，并且易于大量和在狹小空間部署。

 

 

傳統(tǒng)的電子傳感器無(wú)論設(shè)計(jì)怎樣，都包含相同的功能模塊。傳感器的核心模塊是實(shí)際的感測(cè)元件。感測(cè)元件是傳感器的一部分，它對(duì)傳感器環(huán)境作出響應(yīng)，并將環(huán)境條件轉(zhuǎn)換為電參數(shù)。除了感測(cè)元件，傳感器還需要電源用于傳感器內(nèi)部的電子元件和數(shù)據(jù)處理及互聯(lián)電路。大部分電子傳感器包括感測(cè)元件、電源模塊和位于每個(gè)感測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理模塊。隨著需要更多的感測(cè)數(shù)據(jù)，擴(kuò)展到多個(gè)感測(cè)節(jié)點(diǎn)所需的成本成為一些應(yīng)用的障礙。傳感器電源和通信模塊所需器件的物理尺寸限制了小尺寸傳感器的選用，而由電池供電的傳感器涉及維護(hù)和環(huán)境問(wèn)題，這也限制了傳感器在某些應(yīng)用中的部署。傳統(tǒng)的電子傳感器的成本和尺寸限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展或進(jìn)行智能感測(cè)的多傳感器系統(tǒng)或一次性傳感器的部署，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

 

所以需要一種替代方法，最理想的是不用依賴笨重又昂貴的電池、微控制單元(MCU)及相關(guān)電路。許多連接的傳感器大部分時(shí)間都處于待機(jī)或睡眠模式以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，僅在被喚醒與主機(jī)系統(tǒng)交換小數(shù)據(jù)包期間，才需要電源和智能。如果傳感器可以暫時(shí)由外部電源供電，并且大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理都在外部完成，便可實(shí)現(xiàn)具性價(jià)比的傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，并使多感測(cè)傳感器或一次性傳感器等創(chuàng)新在經(jīng)濟(jì)上可行。

 

有一種技術(shù)可以提供解決方案：無(wú)線無(wú)源傳感器已經(jīng)可由存儲(chǔ)器加載，通過(guò)無(wú)線閱讀器詢問(wèn)或重寫，并由閱讀器傳輸?shù)腞F場(chǎng)中的能量激活。傳統(tǒng)的RFID通信標(biāo)準(zhǔn)已得到驗(yàn)證，是穩(wěn)定可靠的，提供了將感測(cè)功能與傳統(tǒng)電子傳感器所需的電源和控制電路分開的、開發(fā)新的智能無(wú)源傳感器的強(qiáng)大平臺(tái)。

 

智能無(wú)源傳感器 智能無(wú)源傳感器可以更大地發(fā)揮RFID技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)所具的潛力，以支持便利和高能效的無(wú)線數(shù)據(jù)交換。圖1顯示了智能無(wú)源傳感器的關(guān)鍵功能元件，包括天線、刺激檢測(cè)器和傳感器塊控制IC，通過(guò)集成一個(gè)印制天線和刺激檢測(cè)回路及一個(gè)射頻IC來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)源傳感器標(biāo)簽功能。

 

智能無(wú)源傳感器使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UHF Gen 2協(xié)議進(jìn)行通信，并且可以用合適的RFID閱讀器讀取。一些固定或手持式商用閱讀器已經(jīng)通過(guò)了標(biāo)簽和功能驗(yàn)證。安森美半導(dǎo)體的智能無(wú)源傳感器生態(tài)系統(tǒng)提供了一種電池供電的便攜式閱讀器，內(nèi)置天線、圖形用戶接口和物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)功能，可作為收集傳感器標(biāo)簽數(shù)據(jù)的中樞。

 

當(dāng)閱讀器啟動(dòng)通信時(shí)，自調(diào)節(jié)傳感器IC通過(guò)測(cè)量刺激回路中的阻抗變化來(lái)檢測(cè)濕度或壓力，并將這些數(shù)據(jù)以及來(lái)自片上溫度傳感器的數(shù)字化溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。傳感器監(jiān)測(cè)幾個(gè)參數(shù)，包括檢測(cè)距離、運(yùn)動(dòng)或存在的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）以及溫度和濕度。每個(gè)傳感器還有一個(gè)可編程的EPC代碼作為唯一的識(shí)別標(biāo)識(shí)。RFID前端自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境變化，以感測(cè)濕度、壓力和其它參數(shù)。

 

圖1：智能無(wú)源傳感器將RFID技術(shù)與無(wú)源、無(wú)MCU的先進(jìn)感測(cè)塊結(jié)合起來(lái)。

 

 

低成本或一次性無(wú)源傳感器可使大量重要的應(yīng)用受益。例如，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架內(nèi)或工業(yè)電源開關(guān)內(nèi)高功率斷路器連接處多個(gè)位置的溫度，可以監(jiān)控溫度變化趨勢(shì)，快速檢測(cè)異常升高的溫度，以便進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)或采取糾正措施。智能無(wú)源傳感器直接連接到金屬外殼、器件封裝或散熱片等部件，可對(duì)所有傳感器射頻范圍內(nèi)的閱讀器發(fā)出的周期性詢問(wèn)作出響應(yīng)。

 

圖2所示的監(jiān)控策略基于智能無(wú)源傳感器和連接到云的RFID閱讀器/收發(fā)器，可以提供比人工測(cè)溫或熱成像等其它方法更即時(shí)、更具性價(jià)比的保護(hù)設(shè)備的方法。

 

圖2：多個(gè)智能無(wú)源傳感器可以高性價(jià)比地監(jiān)測(cè)幾個(gè)地點(diǎn)的溫度。

 

無(wú)源智能傳感器標(biāo)簽也適用于數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如在牲畜監(jiān)測(cè)應(yīng)用中可以檢查牲畜疾病或驗(yàn)證牲畜排卵周期。農(nóng)民還使用RFID標(biāo)簽進(jìn)行動(dòng)物識(shí)別和跟蹤，可注射標(biāo)簽的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立。通過(guò)在設(shè)備或系統(tǒng)方面增加投資，智能無(wú)源傳感器幫助進(jìn)一步改善動(dòng)物健康、提高養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)量。

 

同樣，使用智能無(wú)源傳感器進(jìn)行濕度或壓力檢測(cè)已在醫(yī)療、工業(yè)測(cè)試以及汽車舒適性和安全性等方面得到應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，濕度傳感器可以不顯眼地附著在醫(yī)院床單上來(lái)檢測(cè)病人的入住率和床位余量，非侵入式溫度傳感器可以連接到病人的皮膚（圖3），并使用附近的閱讀器無(wú)線監(jiān)測(cè)。

 

圖3：無(wú)線體溫傳感器標(biāo)簽快速啟用，舒適又方便。

 

更多的應(yīng)用包括汽車行業(yè)中的漏水測(cè)試：在漏水測(cè)試開始前將一組智能無(wú)源傳感器快速、高效地安裝在汽車中，免除了費(fèi)力的人工探測(cè)，同時(shí)簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)收集和分析。

 

此外，檢測(cè)汽車安全帶狀態(tài)的濕度和壓力感測(cè)及額外的距離感測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的座椅內(nèi)有線或氣囊系統(tǒng)更智能的汽車占位檢測(cè)。智能無(wú)源傳感器能區(qū)分人體和置于座椅上的物體，只需很少的額外成本，就可很容易地將感測(cè)擴(kuò)展到后排乘客座椅和可移動(dòng)座椅。

 

從家庭自動(dòng)化和互聯(lián)汽車到工業(yè)控制、質(zhì)量檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、建筑、供應(yīng)鏈管理等眾多應(yīng)用中，智能無(wú)源傳感器標(biāo)簽還可完成許多其它的漏水檢測(cè)、占位感測(cè)和溫度或濕度水平監(jiān)測(cè)。

 

 

智能無(wú)源傳感器為無(wú)處不在的感測(cè)帶來(lái)了新的選擇，可以監(jiān)測(cè)壓力、溫度、濕度或距離，消除了體積、功耗和成本等傳統(tǒng)的智能傳感器考慮的問(wèn)題。設(shè)備設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以將智能系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到過(guò)去難以接近的區(qū)域和應(yīng)用中，而不受尺寸的限制或價(jià)格的制約。

 

本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。作者：Greg Rice，安森美半導(dǎo)體公司