傳感器在 “物聯(lián)網(wǎng)”中的生命故事

作者/Bianca Aichinger RECOM Power GmbH產(chǎn)品營銷經(jīng)理，Axel Stangl 儒卓力電源產(chǎn)品銷售經(jīng)理

　　在物聯(lián)網(wǎng) (IoT)中需要大量的傳感器來確保各項(xiàng)操作順利運(yùn)行，包括測(cè)量和記錄溫度、亮度、移動(dòng)以及許多其它參數(shù)，并且傳送數(shù)據(jù)至智能控制設(shè)備。不過，傳感器也需要電力。

　　雖然傳感器所需要的功率不太多，但若沒有電力便無法工作。因此，要確保電池供電傳感器保持運(yùn)行多年而無需維護(hù)，便成為了一個(gè)難題。如何能夠顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命呢?如何能夠從4至20 mA回路提取三倍電流呢?

　　隨著工業(yè)4.0的到來，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和云計(jì)算進(jìn)入了現(xiàn)代化工廠中。網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)在此作為集成式通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作，進(jìn)行決策并采取行動(dòng)，同時(shí)與其它系統(tǒng)以及人類進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通。技術(shù)快速進(jìn)步的一個(gè)主要原因是所有類型傳感器的價(jià)格下降。僅僅在十年之前，傳感器技術(shù)還僅用于高度專業(yè)化應(yīng)用，然而，今天的傳感器早已成為了大量使用的普及產(chǎn)品。

　　這一發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)中可以集成越來越多的設(shè)備，從而結(jié)合、處理和交換更大量的數(shù)據(jù)。然而，所有這些傳感器都有一個(gè)共通點(diǎn)，就是必須獲得電流，不論是中央或近端電源還是電池。

　1 3 V紐扣電池的神話

　　許多IoT和工業(yè) 4.0應(yīng)用使用3 V紐扣電池運(yùn)作，這不僅便宜，還非?？煽?。缺點(diǎn)在于這些電池必需頻密更換。一個(gè)完全充電的CR2032紐扣電池提供大約3.2 V電壓。僅僅運(yùn)作幾個(gè)小時(shí)之后，電壓便會(huì)降低至3 V以下。這可能不足以支持某些無線模塊，比如WLAN、藍(lán)牙，以及LoRaWAN，傳輸可能變得不可靠，或者信令范圍可能突然縮減。

　　2使用開關(guān)穩(wěn)壓器來延長(zhǎng)電池的使用壽命

　　來自RECOM的R-78S升壓開關(guān)穩(wěn)壓器(圖1)是專為由電池供電的IoT應(yīng)用而開發(fā)的。這些易于安裝的即插即用模塊可從低至0.65 VDC 至 3.15 VDC的輸入電壓提供穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓，從電池單元中擠出最后一點(diǎn)功率。R-78S確保用戶的微處理器、WLAN/藍(lán)牙模塊，以及IoT系統(tǒng)能夠通過單一1.5 V電池或可充電電池來運(yùn)行，而這些電池具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)紐扣電池的使用壽命。

　　圖1 R-78S升壓開關(guān)穩(wěn)壓器(來源：Recom)

　　圖2所示為R-78S在無線模塊中的典型應(yīng)用，這個(gè)電路僅會(huì)在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)作以發(fā)送數(shù)據(jù)，在運(yùn)作期間，整個(gè)電路消耗大約600 μW電能。在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，電路處于睡眠模式。在睡眠時(shí)，R-78S由一個(gè)緩沖電容器供電，僅僅消耗7 μA電流。如果電容器電荷降低至某個(gè)限度以下，電路將被短暫激活并進(jìn)行充電。這項(xiàng)技術(shù)可確?？煽窟\(yùn)行10年或以上而無需維護(hù)。由于轉(zhuǎn)換器價(jià)格便宜，而且電池和維護(hù)成本降低了很多，使得這些額外的投資很快就會(huì)收回成本。

　　圖2 通過在電路中集成一個(gè)緩沖電容器，R-78S可以設(shè)置為睡眠模式(來源：Recom)

　　3用于硬連線系統(tǒng)的解決方案

　　4至20 mA回路已經(jīng)成為了無可爭(zhēng)議的處理和控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡管面市已有70多年，這項(xiàng)技術(shù)仍會(huì)繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。這個(gè)系統(tǒng)適用于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境，因?yàn)殡娏餍盘?hào)不受普通工業(yè)干擾的影響。

　　這個(gè)系統(tǒng)基于相對(duì)簡(jiǎn)單的兩線技術(shù)，信號(hào)作為外加電流傳輸。在這種情況下，4 mA 代表 0 %，而20 mA代表 100 %，使得這個(gè)系統(tǒng)具有固有的安全性，因?yàn)榭偸切枰? mA電流。

　　破損的電線或有故障的傳感器不再有電流流過，因而可以立即檢測(cè)到。而且，長(zhǎng)電纜不會(huì)帶來問題，信號(hào)也可以在回路中的任意一個(gè)點(diǎn)讀取。借助于先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，這個(gè)概念在未來仍然可以適用。在現(xiàn)代化的4至20 mA回路版本中，來自數(shù)個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通過DSP進(jìn)行處理，并且經(jīng)由單一模擬電纜，作為頻率調(diào)制的脈沖群進(jìn)行發(fā)送。這可以通過兩個(gè)HART(高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器)調(diào)制解調(diào)器來實(shí)現(xiàn)，它將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包疊加在發(fā)射器側(cè)的模擬信號(hào)上，并且在接收器端適當(dāng)解耦(圖3)。這樣可以集成更多的傳感器而無需路由額外的回路電纜，也是HART技術(shù)現(xiàn)在成為了處理行業(yè)使用最多的數(shù)據(jù)協(xié)議的主要原因之一。它是使得4至20 mA在未來仍然可以適用的重要因素。

　　低于測(cè)量范圍的電流(<4 mA)可以用于電能生成，以期為傳感器等供電。

　　圖 3 使用一個(gè) DSP和HART調(diào)制解調(diào)器(來源：Recom)

　　4為傳感器供電的電流接口

　　然而，雖然生成的電能對(duì)于一個(gè)模擬傳感器是充足的，但不足以滿足多個(gè)甚或智能傳感器 (帶有DSP和/或顯示器)——如果現(xiàn)場(chǎng)有合適的電源，就沒有問題。如果所供電的組件遠(yuǎn)離控制臺(tái)，通常成本會(huì)相應(yīng)地增加。

　　這就是傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器IC不適用于這項(xiàng)任務(wù)的原因所在，它們?cè)跐M負(fù)荷下的高效率在超出4 mA閾值的較低負(fù)荷下就會(huì)下降。

　　睡眠模式下的低靜態(tài)電流也不能補(bǔ)償這些消耗，因?yàn)樗耆P(guān)閉了主輸出電壓。線性穩(wěn)壓器也不理想。盡管它們擁有非常理想的約為0.5 mA的低靜態(tài)電流，但與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，低效率將可用功率減少至大約三分之一。

　　在這方面，RECOM新開發(fā)的開關(guān)穩(wěn)壓器R420-1.8/PL提供了聰明的解決方案。通過創(chuàng)新拓?fù)洌梢詫㈤e置電流降低至0.5mA左右，同時(shí)仍然在輸出端保持額定電壓。例如：在輸入端為24 VDC 和 <3.5 mA，在輸出端提供3.3 V和10 mA，這樣便能夠?yàn)閭鞲衅鳌⑽⒖刂破骱虷ART調(diào)制解調(diào)器供電，而不會(huì)影響回路功能或測(cè)量精度。

　　新開關(guān)穩(wěn)壓器的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是可以編程，只需使用電阻器進(jìn)行簡(jiǎn)單的連線，便能夠用于1.8 V 至5 V的任意輸出電壓。

　　5結(jié)論

　　物聯(lián)網(wǎng)中的許多傳感器需要?jiǎng)?chuàng)新的電源解決方案。

　　RECOM提供各式各樣智能解決方案，比如幫助節(jié)省電池功率的升壓開關(guān)穩(wěn)壓器R-78S。此外，它從電池當(dāng)中擠出最后的電能，因此，應(yīng)用設(shè)備可以運(yùn)行超過10年而無需維護(hù)。此外，久經(jīng)考驗(yàn)的4至20 mA回路等技術(shù)仍然非常適合在未來使用，這要感謝數(shù)字化技術(shù)。創(chuàng)新的開關(guān)穩(wěn)壓器，比如RECOM的R420產(chǎn)品，可以在輸出端提供三倍的功率，幫助已經(jīng)成熟的系統(tǒng)在未來繼續(xù)使用，以應(yīng)對(duì)日后的挑戰(zhàn)。