measurement-and-instrumentation
עתיד רשתות חיישן אלחוטיות ותפקידם של מיניאורות
Table of Contents
התפתחות רשתות חיישן אלחוטיות: מטכנולוגיית ניצ'ה ועד לתשתיות Ubiquitous
רשתות חיישן אלחוטיות הפכו בשקט לאחת הטכנולוגיות המשפיעות ביותר של העידן המודרני.מה החל ככלי מחקר מיוחד למעקב צבאי וסביבתי התפתח לשכבה בסיסית של האינטרנט של הדברים (IoT), מה שהופך את החקלאות החכמה, אוטומציה תעשייתית, ניטור רפואי, תשתיות חכמות.אדריכלות הליבה נותרה זהה: לא מופצות עם חיישנים, מעבדים, טרנסצ'יבים אלחוטיים, מקורות כוח לשתף פעולה כדי לאסוף נתונים פיזיים וצורות גבוהות של מערכת יחסים.
אבני החיישן המוקדמות היו הפשרה הנדסיות.הם אכלו מילימטרים של כוח אפילו במצב שינה, דרשו סוללות גדולות של תאי מטבע או מקורות כוח חיצוני, וסבלו מטווחי שידור מוגבלים.תהליך ההמרה האנלוגי-לדיגיטלי היה צוואר בקבוק מסוים. ADCs מוקדם היו מרכיבים דיסקרטיים עם עומס חשמל גבוה ורזולוציה צנועה, מה שחייב מעצבי מערכת לבחור בין דיוק ויעילות אנרגיה.
כיום, הנוף שונה ביסודו.שוק WSN העולמי צפוי לגדול בקצב צמיחה שנתי מורכב העולה על 20% בעשור הבא, מונע על ידי ירידה בעלויות חומרה ועלייה הביקוש לאינטליגנציה סביבתית בזמן אמת. אולמות חיישן מודרני יכולים לשלב מספר רב של חישה, יכולות מחשוב קצה, פרוטוקולי תקשורת הסתגלות - כל בתוך חבילה לא גדול יותר מאשר אצבע.
הבנת תפקידה של ADC ברשתות חיישנים
ממירים אנליסטים-ל-Digital משמשים כממשק קריטי בין העולם הפיזי לבין עיבוד דיגיטלי.כל אותות המתרחשים בטבע טבעי - זמן, לחץ, רטט, אינטנסיביות אור, צליל - הם אנלוגיים בטבע.חיישנים מתרגמים את הכמויות הפיזיות האלה למתחים חשמליים או זרמים, אבל אותות אנלוגיים אלה חייבים להיות מומרים להטמיע ערכים דיגיטליים דיסקרטיים לפני מיקרו-בקר או מיקרו-מעבד יכול לעבד, או להעביר אותם ל-DC באופן מלא, ולכן לא נכון, ולכן ניתן להציג את הכמות של השגיאה דיגיטלית.
בהקשר של WSNamp, הביצועים של ADC משפיעים ישירות על שלוש תכונות מערכת מפתח: (FLT:0accuracyFLT:1,FLT:2powerצריכה של כוח אדם 3, ו-FLT:4node SizeFLT:5 המרה גבוהה יותר של ADCs (16-bit, 20bit, או אפילו 24bit מסורתי sigma-delta) עשוי להפעיל שינויים קלים.
ADCs Architectural Advances in Miniature ADCs
ההתפתחות המשמעותית ביותר ב- ADCs זעירה עבור WSNs הייתה הזיקוק של ארכיטקטורת SAR בשילוב עם אזכורי מתח על שבב וסינון דיגיטלי. SAR ADCs להשיג החלטה 16 סיביות בשיעורים של כמה מאות קילוולץ תוך צריכת תחת 100 מיקרו-וואט.זה מייצג צמצום כוח של יותר משני הזמנות של גודל לעומת ADCre לפני עשרות שנים, כמו גם חיישנים רבים של תאים גמישים, לא ניתן להזיזומטר (pcuppchi) על ידי פונקציונליות) ואפקטיביים (מתאים מופעלים) אחד בלבד, אפילו על ידי קיבולת מוגבלת יותר מסולם של תאים קלים יותר מ-C מופעלת (מתאים מופעלת) הוא גם כן, 000 מופעלת (מתאים מופעלת) ו-p) עם סגסוגת מופעלת) עם סגסוגת מופעלת (מתאים מופעלת) עם מטבוליזם של יותר מסולפסדפסדפסדפס) עם סגסוגת מופעלת אחת, 000 מופעלת אחת, 000 מופעלת אחת, 000 מופעלת אחת, 000 מופעלת, 000 מופעלת, 000 מופעלת, 000 סגסוגת מופעלת, 000 סגסוגת לאחור, 000 מופעלת, 000 מופעלת, 000 סגסוגת לאחור, 000 סגסוגת
חידוש קריטי נוסף הוא הופעתה של אנרגיה-הארוטטינג ADC עיצוביFLT:1 [המירים האלה יכולים לדרג באופן דינמי את ההחלטה שלהם ואת קצב הדגימה המבוסס על אנרגיה זמינה.כאשר אור מבולגן בשפע, ADC פועל במצב של רזולוציה גבוהה; כאשר אנרגיה היא בקושי, היא נופלת חזרה לרזולוציה נמוכה יותר או דילוגים לחלוטין.
כיצד ADCs Miniature Enable Next-Generation WSN Applications
ההתכנסות של גורם צורה קטן, כוח נמוך ודיוק גבוה מנעו את תחומי היישום שהיו בעבר לא מעשי או בלתי אפשרי.
מעקבים בריאים ואכילים
ניטור בריאות מתמשך דורש חיישנים שאינם מובנים, נוח, ומסוגלים לפעול לתקופות מורחבות ללא שינויים סוללה.ללבוש כתמים כי לעקוב אחר אלקטרוקרדיגרם, רמות חמצן בדם, טמפרטורה בעור, ותנועה דורשת ADCs שיכולה לדיגיטליים של אותות ביופוטנטיים עם דיוק מיקרו-וולטי (CDCs) רק באמצעות עיבוד קבוע של קיבולת של קיבולת של 2 סיביות, לעומת שינויים סטנדרטיים בטמפרטורה מינימלית של 14 קיבולת נמוכה יותר מאשר קיבולת של חומרים גמישה.
החקלאות והסביבה
החקלאות המודרנית מסתמכת יותר ויותר על רשתות החיישן מבוזרות כדי להתאים את הגירציה, יישום הפריה, וניהול המזיקים. Soil חיישני לחות, למשל, דורשות המרה מדויקת-לספרתית כדי להפר את תוכן המים. ADC עם החלטה של 16 סיביות ופיצוי טמפרטורה משולב יכול להבחין ברמות לחות בתוך 0.1% דיוק מזון, המאפשר מערכות השקיה אוטומטיות כדי ליישם רק כאשר נדרש חיישנים פחמן נמוך, 000 גרם לחשיפה לטמפרטורה נמוכה של חומר אורגני של חומר צמחייה (F) יכול היה להבחין בין 0.1%, כלומר, כלומר, 000 חומרים סביבתיים, כלומר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה של חומר צמחייה נמוכה של חומר צמחייה של חומר צמחייה יכול היה יכול להיות מסוגל להבחין בין חומרים אורגני יכול היה יכול להיות יעיל של חומר צמחייה יכול להיות יעיל של חומר צמחייה של חומר צמחייה של חומר צמחייה של חומר
מעקב אחר בריאות חוץ ותשתית חכמה
גשרים, מנהרות, סכרים ובניינים יותר ויותר מוכלים עם WSN אשר לפקח על רטט, מתח, נטייה וטמפרטורה לזהות השפלה מבנית לפני שהיא הופכת קריטית.יישומים אלה עם טווח דינמי גבוה כדי ללכוד את שני האירועים הדגולים גדולים (כגון רעידות אדמה) וצלילים קלים, לטווח ארוך הנגרמים על ידי עייפות חומרית.
עסקים ואלקטרוניקה תעשייתיים
בסביבות הייצור, אלגוריתמים של ציוד לפקח על רטט, טמפרטורה וזרם חשמלי כדי לחזות את צרכי תחזוקה ולמנוע אלגוריתמים למידה לא מתוכננים בזמן. Machine פועל בקצה דורש נתונים נאמנות גבוהה כדי לזהות חתימות שגיאות. Miniature ADCs עם קיבולת נמוכה ו-Digitalic sampling הם חיוניים עבור רכישת נתונים סינכרוניים על פני מספר צומת.
אתגרים טכניים ב ADC miniaturization עבור WSNs
למרות התקדמות מרשימה, אתגרים משמעותיים נשארים בדחף ADCs זעיר לגבולות התיאורטיים שלהם תוך עמידה בדרישות המחמירות של יישומי WSN.
רעש וקוויארליות ב- Small Features
כמו CMOS תהליך נושך מתחת 65 ננומטרים, transistor להתאים את הקשקשים, רעש תרמי עולה, וספק מתחים ירידה. מגמות אלה מקשות על השגת יחסות אות גבוה לרעש (SNR) הנדרש לחשיפה מדויקת. ADC מעצבים חייבים להשתמש בטכניקות כגון אלמנט דינמי תואם, מתואמים כפול דגימה, וחיתוך לאפקטים אלה, אך לא יכול להוסיף את הטכניקות של כוח חד-פעמי, אם זה.
כוח אספקה והתערבות
חיישן מיניאטורי לעתים קרובות לשתף רכבת כוח אחת בין ADC, מיקרובקר, ו transceiver אלחוטי.המבצע של התפוצצות-mode של transceiver יכול להזריק רעש לתוך האספקה, משחיתים ADC המרות.Achieving גבוה אספקת חשמל גבוהה ניכוי יחס (PS) ב ADC זעירה דורש עיצוב זהיר של הפנה ו-Lal אנלוגיה.
יציבות לטווח ארוך וארוכות
ב WSN פרוס במשך חמש עד עשר שנים, ADC פרמטרים כגון offset, רווח, לינאריות יסחף עקב ההזדקנות וטמפרטורת רכיבה על אופניים.שיטות שימור מסורתיות דורשות מתחים התייחסות חיצוני ומחזורי שחזור תקופתיים, אשר אינם מעשיים עבור יישומים מרוחקים, סוללות מופעלות על פתרונות כולל מנועים של גירוי עצמי אשר מופעל במהלך הדבקה, באמצעות דרישה פנימית של 0, 000 C, ללא התייחסות פיזית של טיפול עצמי.
הטריקטורי העתידי: ADC כ-חיישנים Node Subsystem
במבט קדימה, ההבחנה בין ADC לשאר החיישן צומת תמשיך לטשטש.המגמה לקראת שילוב heterogeneous - מספר רב של מתים או שבבים בחבילה אחת - תאפשר חיישן חזיתות, ADCs, לוגיקה דיגיטלית, ו transceivers אלחוטיים להיות מותאם באופן עצמאי ולאחר מכן התאספו לתוך גישה קומפקטית-in-חבילה.
כיוון מבטיח אחר הוא פיתוח של FLT:0 (time-domain ADCsFLT:1 המייצג אותות אנלוגיים כמו רוחב הדופק או מרווחי זמן ולא רמות מתח.המרים של זמן יכול לנצל את ההחלטה התזמון מעולה של אותות CMOS עמוק בכפוף למיקרוסקופיים (כולל עלייה גבוהה או התייחסות מדויקת למתח).
אנרגיה קצירת אנרגיה והדרך אל צמתים חזקים
החזון האולטימטיבי עבור WSNs הוא רשת של צמתים שפועלים ללא הגבלת זמן ללא תחליף סוללה. Miniature ADCs לשחק תפקיד מרכזי בחזון זה כי הם לעתים קרובות הצרכן הכוח הדומיננטי בשרשרת האות האנלוגיה. Reducing צריכת חשמל ADC לרמה המיקרו-וואט או ננווואט מאפשר את כל הצומת להיות מופעל על ידי קצירי אנרגיה קטנים כגון גנרטורים חשמליים, תאים פוטו-וולטיים, או המיוצרים תחת לחץ דם נמוך כמו תאים פגומים של תאים עם תאים עם תאים פגומים תאים עם תאים פגומים של תאים עם תאים עם תאים פגומים תאים פגומים.
ADCs יעילה באנרגיה גם מאפשר הפעלה ממוחזרת של 0 (FLT:1), שבו החיישן Node מתעורר זמן קצר כדי לקחת מדידה ולאחר מכן חוזר למצב שינה עמוק.ב יישום ניטור לחות טיפוסי, הצומת עשוי להתעורר פעם לשעה לשעה לשעה, לבצע המרה של 16 סיביות צריכת 5 מיקרו שניות, להעביר את התוצאה של רדיו 2 מ"ר שניות, ולאחר מכן עבור פחות מ 10 ק"מ של שעה אחת, עם נפח השמש, אשר עשוי להיות מופחת של 10.
אבטחה וגידול נתונים ב-ADC-Driven WSNs
כפי ש- WSNs פרוסים בתשתיות קריטיות ויישומים רפואיים, האבטחה של שרשרת רכישת הנתונים הופכת להיות מכריעה. תוקף שיכול לתמרן את מתח ההתייחסות של ADC או רעש הזרקת במהלך המרה יכול לגרום לצומת לדווח על קריאה כוזבת, שעלולה לגרום להחלטות זיהוי שגויות במערכות אוטומטיות.0 מחקרים אחרונים התמקדו בהוספת אימות הצפנה קלה בפלט ADC, תוך שימוש בתפקודים לא ניתנים ל-PTSD (F) כדי לספק תכונות הפעלה מסחריות משמעותיות של 5.
מסקנה: מהפכה שקטה ב Sensing
העתיד של רשתות חיישן אלחוטי יהיה מוגדר לא על ידי פריצת דרך אחת, אבל על ידי ההשפעה המצטברת של שיפורים בביצועים ברמת הרכיב. Miniature ADCs מייצגים טכנולוגיה לקטוף שקובעת את הדיוק, יעילות האנרגיה, ואת ההיקף הפיזי של צניפים.הטרפליורי ברור: ADCs ימשיכו לכווץ, לצרוך פחות כוח, ולשלב פונקציונליות יותר, ומאפשרת WSN כי הם יותר רחבים, אמין יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, מאשר פריסות יותר, מסוגלות היום.
אנו נעים לעבר עולם שבו חיישנים מוטבעים במרקם של הערים שלנו, בגדינו, כלי הרכב שלנו והסביבה שלנו.הם ינטרו את הבריאות המבנית, לעקוב אחר שינויים סביבתיים, אופטימיזציה לשימוש באנרגיה, ולספק אזהרות מוקדמות לאסונות טבע. ADC הזעיר, שלעתים קרובות משקיף בדיונים של טכנולוגיה אלחוטית, הוא המנח השקט של טרנספורמציה זו.מהנדסים ומעצבי מערכת אשר מבינים את היכולות והמגבלות של רכיבים אלה יהיו ממוקמים הכי טוב כדי לבנות את הדור הבא של רשתות החיישן, הגמישות, של רשתות החיישן.
עבור אלה המעוניינים לחקור את הפרטים הטכניים עוד יותר, IEEE פרסם הנחיות נרחבות על בחירת ADC עבור יישומים חיישן אלחוטית (FLT:0(reference)FLT:1 .בנוסף, פרויקט OpenCores שומר על עיצובים קוד פתוח ADC שניתן להתאים לפיתוח WSN מותאם אישית.