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].
Таблица 1
Параметры низковольтных полупроводниковых датчиков температуры с цифровым выходом
|
Тип |
TC74 |
SE98A |
TMP102 |
DS620 |
MAX31723 |
|
Изготовитель |
Microchip |
NXP Semiconductors |
Texas Instruments |
Maxim |
Maxim |
|
Диапазон температур, C |
−40...+125 |
−40...+125 |
−55...+150 |
−55...+125 |
−55...+125 |
|
Погрешность в диапазоне 0C — 70C, C |
2 |
2 |
1 |
0,5 |
0,5 |
|
Цена деления, C |
1 |
0,125 |
0,0625 |
0,0625 |
0,0625 |
|
Интерфейс |
I2C |
I2C |
I2C |
I2C |
SPI/3-Wire |
|
Напряжение питания, В |
2,1...3,6 |
1,7...3,6 |
1,4...3,6 |
1,7...3,5 |
1,7...3,7 |
|
Потребляемый ток в спящем режиме, мкА |
5 |
5 |
1 |
2 |
2 |
|
Потребляемый ток в режиме измерения, мА |
0,2 |
0,4 |
0,02 |
0,8 |
1,2 |
|
Количество выводов |
5 |
8 |
6 |
8 |
8 |
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
|
ZigBee |
Bluetooth |
Wi-Fi |
3G |
|
|
Частотный диапазон, МГц |
2400–2483 |
2400–2483 |
2412–2840 |
1885–2025; 2110–2200 |
|
Скорость передачи данных, кбит/с |
До 250 |
720 |
11000/54000 |
144/384/2048 |
|
Дальность связи, м |
200 |
класс 1–100; класс 2–10; класс 3–1 |
100 |
во всей зоне покрытия |
|
Потребление тока, активный режим, мА / спящий режим, мкА |
30/10 |
70/20 |
450 |
350/3500 |
|
Модуляция, доступ к среде |
DSSS |
FHSS |
DSSS |
TDMA/ FDMA/CDMA |
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.
