Устройства ввода информации с малым энергопотреблением | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 29 июня, печатный экземпляр отправим 3 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №21 (363) май 2021 г.

Дата публикации: 22.05.2021

Статья просмотрена: 31 раз

Библиографическое описание:

Кнышенко, А. А. Устройства ввода информации с малым энергопотреблением / А. А. Кнышенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 21 (363). — С. 96-98. — URL: https://moluch.ru/archive/363/81361/ (дата обращения: 18.06.2024).



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 0C — 70C, 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.

Основные термины (генерируются автоматически): DSSS, датчик, беспроводная передача данных, спящий режим, CDMA, FDMA, FHSS, NXP, беспроводное устройство ввода, беспроводный способ передачи информации.


Похожие статьи

Беспроводная передача информации в медицинском...

На протяжении многих лет задача беспроводной передачи данных в ближнем поле представляла значительную проблему для разработчиков медицинских датчиков.

Самая старая и самая простая технология беспроводной передачи информации — точка-точка, где отдельный прибор с собственным радиопередатчиком посылает сигнал на шлюз (приемник), который подключен к системе управления.

Беспроводная передача информации в медицинском... В медицине необходимо также, чтобы связь с данными устройствами была свободной от ошибок. Самая старая и самая простая технология беспроводной передачи информации — точка-точка...

Беспроводные сенсорные сети | Статья в журнале...

Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков.

ZigBee [3] определяет протоколы верхнего уровня выше IEEE 802.15.4. Его хорошо известные характеристики включают низкую стоимость, низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Предложенный альянсом ZigBee, ZigBee можно рассматривать как одну из популярных технологий в WSN. Устройства ZigBee могут связываться друг с другом и передавать данные между устройствами в локальной сети ZigBee.

Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi

Данным решением заинтересовались многие государственные структуры в других странах, а в дальнейшем и различные компании, которые в коммерческих целях начали разрабатывать устройства для налаживания беспроводных сетей [1].Через шесть летдве голландские компании NCR Corporation и AT&T первыми представили миру готовую к использованию технологию беспроводной передачи данных, данный совместный продукт этих компаний назвали WaveLAN и предназначался только для оптимизации работы кассовых систем посредством.

Как и любой другой способ передачи данных через Интернет, технология Wi-Fiимеет свои отличительные стороны. В таблице 1 представлены основные преимущества, а также отрицательные стороны использования беспроводной сети Wi-Fi. Таблица 1.

Особенности работы с приемопередатчиком NRF24L01+

В настоящее время с функционированием беспроводных технологий передачи данных используют целые сети цифровых устройств различных масштабов: от глобальных мобильных сетей сотовой связи до локальных, которые необходимы для взаимодействия самодельных радиолюбительских устройств. Приемопередатчик NRF24L01+ — микросхема радиочастотного трансивера, с помощью которого можно организовать передачу данных, к примеру, для создания удаленного управления и мониторинга устройств на промышленном предприятии. Рабочие частоты связи приемопередатчика 2.400–2.4835 ГГц [1]. Частота рабочего канала может изменяться, доступно 126 каналов шириной менее 1 МГц при использовании трансивера на скорости передачи 250 кБит/с.

Обзор и исследование протоколов беспроводных...

Данные сети могут быть применимы не только для создания «Умных домов», но и на различных предприятиях для мониторинга состояния прочих систем и помещений. Таким образом уже существуют следующие системы, основанные на технологии беспроводных сенсорных сетей и используемые на предприятиях: системы мониторинга и поддержания микроклимата

Поскольку технология беспроводных сенсорных сетей еще достаточна молода, и ее развитие только набирает обороты, в ней существует ряд уязвимостей. В том числе имеющиеся уязвимости протоколов передачи данных позволяют реализовать угрозу создания ботнет-сети.

Беспроводные сенсорные сети | Статья в журнале...

Возможность использования беспроводных датчиков в военной области варьируется от мониторинга транспортных средств (дружественных или противоборствующих), мониторинг возможных угроз и многих других целей с плотной топологией для сбора более надежных данных.

В настоящее время беспроводные датчики являются востребованными в медицине для упрощения взаимосвязи между пациентом и системой мониторинга. Также есть функции, которые выполняются с помощью медицинских датчиков, таких как контроль заболеваний и введение препаратов.

Беспроводная передача энергии | Статья в журнале...

Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей.

Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции...

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

В устройстве реализована поддержка приема передачи данных по стандартам I2C, SPI, RS-232, RS-485, HART, USB (для приема и передачи данных на ПК) и параллельного восьмибитного кода, который используется в некотором специализированном

Первым этапом работы является ожидание ввода информации для передачи. Сигнал к вводу информации поступает по линии clkt. По этому сигналу логический блок подает на выход Ro логическую единицу, которая поступает на

Сигналы suc и err передаются устройству, которое осуществляет ввод данных (передача логической единицы по линии err во время передачи логической единицы по линии suc свидетельствует о сбое при передаче данных).

Проблемы применения и безопасности в беспроводных...

Беспроводные сенсорные сети состоят из множества интеллектуальных устройств, для мониторинга физических условий и условий окружающей среды. Беспроводные сенсорные сети собирают данные и обмениваются данными, используя двустороннюю связь. Двусторонняя связь позволяет клиентам взаимодействовать с сетью.

В реальной жизни беспроводные сенсорные сети имеют много устройств, таких как устройства обнаружения, обработки и связи, которые способны контролировать окружающую среду. Они значимы в различных областях, таких как военное наблюдение и т. д. [1]. В БСС существует множество угроз, например захват узла, физическое вмешательство, DOS и т. д. Старые механизмы безопасности не...

Похожие статьи

Беспроводная передача информации в медицинском...

На протяжении многих лет задача беспроводной передачи данных в ближнем поле представляла значительную проблему для разработчиков медицинских датчиков.

Самая старая и самая простая технология беспроводной передачи информации — точка-точка, где отдельный прибор с собственным радиопередатчиком посылает сигнал на шлюз (приемник), который подключен к системе управления.

Беспроводная передача информации в медицинском... В медицине необходимо также, чтобы связь с данными устройствами была свободной от ошибок. Самая старая и самая простая технология беспроводной передачи информации — точка-точка...

Беспроводные сенсорные сети | Статья в журнале...

Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков.

ZigBee [3] определяет протоколы верхнего уровня выше IEEE 802.15.4. Его хорошо известные характеристики включают низкую стоимость, низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Предложенный альянсом ZigBee, ZigBee можно рассматривать как одну из популярных технологий в WSN. Устройства ZigBee могут связываться друг с другом и передавать данные между устройствами в локальной сети ZigBee.

Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi

Данным решением заинтересовались многие государственные структуры в других странах, а в дальнейшем и различные компании, которые в коммерческих целях начали разрабатывать устройства для налаживания беспроводных сетей [1].Через шесть летдве голландские компании NCR Corporation и AT&T первыми представили миру готовую к использованию технологию беспроводной передачи данных, данный совместный продукт этих компаний назвали WaveLAN и предназначался только для оптимизации работы кассовых систем посредством.

Как и любой другой способ передачи данных через Интернет, технология Wi-Fiимеет свои отличительные стороны. В таблице 1 представлены основные преимущества, а также отрицательные стороны использования беспроводной сети Wi-Fi. Таблица 1.

Особенности работы с приемопередатчиком NRF24L01+

В настоящее время с функционированием беспроводных технологий передачи данных используют целые сети цифровых устройств различных масштабов: от глобальных мобильных сетей сотовой связи до локальных, которые необходимы для взаимодействия самодельных радиолюбительских устройств. Приемопередатчик NRF24L01+ — микросхема радиочастотного трансивера, с помощью которого можно организовать передачу данных, к примеру, для создания удаленного управления и мониторинга устройств на промышленном предприятии. Рабочие частоты связи приемопередатчика 2.400–2.4835 ГГц [1]. Частота рабочего канала может изменяться, доступно 126 каналов шириной менее 1 МГц при использовании трансивера на скорости передачи 250 кБит/с.

Обзор и исследование протоколов беспроводных...

Данные сети могут быть применимы не только для создания «Умных домов», но и на различных предприятиях для мониторинга состояния прочих систем и помещений. Таким образом уже существуют следующие системы, основанные на технологии беспроводных сенсорных сетей и используемые на предприятиях: системы мониторинга и поддержания микроклимата

Поскольку технология беспроводных сенсорных сетей еще достаточна молода, и ее развитие только набирает обороты, в ней существует ряд уязвимостей. В том числе имеющиеся уязвимости протоколов передачи данных позволяют реализовать угрозу создания ботнет-сети.

Беспроводные сенсорные сети | Статья в журнале...

Возможность использования беспроводных датчиков в военной области варьируется от мониторинга транспортных средств (дружественных или противоборствующих), мониторинг возможных угроз и многих других целей с плотной топологией для сбора более надежных данных.

В настоящее время беспроводные датчики являются востребованными в медицине для упрощения взаимосвязи между пациентом и системой мониторинга. Также есть функции, которые выполняются с помощью медицинских датчиков, таких как контроль заболеваний и введение препаратов.

Беспроводная передача энергии | Статья в журнале...

Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей.

Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции...

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

В устройстве реализована поддержка приема передачи данных по стандартам I2C, SPI, RS-232, RS-485, HART, USB (для приема и передачи данных на ПК) и параллельного восьмибитного кода, который используется в некотором специализированном

Первым этапом работы является ожидание ввода информации для передачи. Сигнал к вводу информации поступает по линии clkt. По этому сигналу логический блок подает на выход Ro логическую единицу, которая поступает на

Сигналы suc и err передаются устройству, которое осуществляет ввод данных (передача логической единицы по линии err во время передачи логической единицы по линии suc свидетельствует о сбое при передаче данных).

Проблемы применения и безопасности в беспроводных...

Беспроводные сенсорные сети состоят из множества интеллектуальных устройств, для мониторинга физических условий и условий окружающей среды. Беспроводные сенсорные сети собирают данные и обмениваются данными, используя двустороннюю связь. Двусторонняя связь позволяет клиентам взаимодействовать с сетью.

В реальной жизни беспроводные сенсорные сети имеют много устройств, таких как устройства обнаружения, обработки и связи, которые способны контролировать окружающую среду. Они значимы в различных областях, таких как военное наблюдение и т. д. [1]. В БСС существует множество угроз, например захват узла, физическое вмешательство, DOS и т. д. Старые механизмы безопасности не...

Задать вопрос