Устройства ввода информации с малым энергопотреблением

Описаны датчики ввода информации с малым энергопотреблением для беспроводных сенсорных сетей. Показано, что оптимальными для использования в таких сетях являются технологии Bluetooth и особенно ZigBee.

Ключевые слова: энергопотребление, беспроводная сеть, датчик.

Одна из современных тенденций в устройствах ввода информации от объектов — расширение применения беспроводных способов передачи информации от чувствительного элемента устройства, то есть от датчика, к компьютеру. В частности, преимуществом беспроводных устройств является простота и низкая стоимость развертывания, особенно когда датчики сильно удалены от компьютера. Системы с несколькими беспроводными датчиками последнее время часто называют сенсорными сетями.

В связи с применением беспроводных способов передачи информации в таких системах все датчики в них должны быть как можно более экономичными, расходуя как можно меньше энергии батарей. Замена батарей в сенсорных сетях — трудоемкое обременительное занятие и желательно, чтобы она происходила как можно реже. Снижение объема и цены батарей также имеют существенное значение.

Малым потреблением можно условно считать датчик, потребляющий ток в среднем порядка 0,1 мА. Это позволяет без замены батарей, например типоразмера ААА, непрерывно работать до 10000 часов (около года). В ряде случаев, однако, и этого недостаточно, например, при мониторинге крупномасштабных сооружений замена датчиков или батарей в них может выливаться в сложное и дорогостоящее организационно-техническое мероприятие, которое хотелось бы производить не каждый год. С другой стороны, иногда (например, в некоторых биомедицинских применениях) даже размеры батареи ААА могут быть велики, и речь может идти об источниках питания на порядок меньшей емкости. Тогда можно для таких случаев назвать условную границу 0,01 мА = 10 мкА микропотреблением и такой датчик считать микропотребляющим.

В качестве примера в табл. 1 приведены параметры некоторых современных датчиков температуры [1].

Анализ таблицы показывает, что, если измерения производятся непрерывно, то только датчик TMP102 можно отнести к малопотребляющим. Однако так как в большинстве практических случаев температура меняется достаточно медленно, так что датчик 99 % времени может находиться в спящем режиме. В этом случае уже все приведенные датчики можно отнести к микропотребляющим.

К сожалению, в беспроводных устройствах ввода кроме датчика обязательно есть передатчик, работающий через тот или иной беспроводной канал, а также микроконтроллер. Потребление тока современных 8-разрядных микроконтроллеров в режимах сниженного энергопотребления уже также достигло микроамперных уровней. Однако, передатчик (или приемопередатчик — трансивер), работающий через радиоканал, вынужден потреблять уже минимум сотни микроампер или миллиамперы, чтобы создать требуемую мощность излучаемых волн.

Поэтому и представляет интерес рассмотрение также иных альтернативных каналов передачи. В частности, в настоящей работе разработаны беспроводные устройства ввода, работающие через оптический канал и показано, что в некоторых вариантах таких устройств потребление передатчика может быть существенно снижено.

Все стандарты и технологии беспроводной передачи данных могут быть классифицированы по ряду формальных параметров. В табл. 2 приведено сравнение некоторых актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи данных [2].

Параметры низковольтных полупроводниковых датчиков температуры с цифровым выходом

Как следует из табл. 2, для работы с малопотребляющими датчиками предназначены технологии Bluetooth и особенно ZigBee. Последняя специально создавалась для тех применений, где можно поступиться скоростью передачи в обмен на пониженное энергопотребление.

Таблица 2

Технологии беспроводной передачи данных по радиоканалу

Литература:

1. Староверов, К. Датчики температуры Maxim [Текст] // Новости электроники. — 2006. — № 6. — С. 2–5.

2. Григорьев, В. А. Сети и системы радиодоступа [Текст] / В. А. Григорьев, О. И. Лагутенко, Ю. А. Распаев. — М.: Эко-Трендз, 2005. — 384 с.