מבוא ל- Embedded Environmental Data Logging

מערכות Embedded מיועדות לאיסוף נתונים סביבתיים באזורים מרוחקים הם עמוד השדרה של מחקר אקולוגי ואקלים מודרני.מערכות אלה חייבות לאסוף נתונים מדויקים, לטווח ארוך ממקומות קשים ובלתי נגישים כגון tundra , יערות גשם טרופיים, שיאי הרים, ו- buoys האוקיינוסים הדרושים כדי להטמיעו מערכות בקרה אלחוטיות ארוכות, תנאים פיזיים קשים, וצורך תקשורת אמינה על פני מרחקים גדולים של טכנולוגיות מתקדמות, אשר נעשות של בקרה אלחוטית, ללא מגבלות אנרגיה אלחוטיות.

ניהול חשמל: הקרן לטווח ארוך

הכוח הוא המגביל הקריטי ביותר במערכות משובצות מרוחקות.ללא גישה לרשת החשמל, כל מילימטריאט חייב להיות תקציב בזהירות כדי למקסם את החיים התפעוליים.מקור הכוח העיקרי עבור רוב הגרפים הסביבתיים המרוחקים הוא אנרגיה סולארית, אבל שיטות אחרות כגון גנרטורים תרמואלקטריים (TEGs) או טורבינות רוח קטנות משמשים בתרחישים ספציפיים.

פאנל סולארי Sizing ו- MPPT

לוחות סולאריים חייבים להיות גדולים מדי לפצות על ימים מעוננים וחודשי חורף.מהנדסים בדרך כלל משתמשים במעקב אחר נקודת כוח מקסימלית (MPPT) המחייב את הכוח הגבוה ביותר האפשרי מהפאנל, במיוחד כאשר הם מסולקים חלקית.עבור מערכות בעלות כוח נמוך, MPPT ICs משולבים כמו FLT:0LT3652FLT:1 ממכשירים Analog מציעים יעילות גבוהה בלוחות קטנות.

כימיה סוללה וקיבולת

Lithium-ion ו-Lithium-iron-פוספט (LiFePO4) סוללות הן האפשרויות הנפוצות ביותר בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם וחיי מחזור ארוכים. LiFePO4 מציע יציבות תרמיים ובטיחות, אשר קריטי בפריסה מרחוק שבו הסיכון אש חייב להיות מצמצם.קיבולת הסוללה חייבת להיות בגודל של כוח המערכת למשך לפחות 7-14 ימים ללא קלט סולארי (האסטרונומיה) לעתים קרובות להשתמש במהנדסים בטמפרטורות נמוכות.

אולטרה-Low-Power Microcontrollers ו- Sleep Modes

בחירת המיקרובקר (MCU) קובעת ישירות את צריכת החשמל של ה-Didle. מודרני 32 סיביות MCUs כמו ה-FLT:0EFM32 Giant GeckophFLT:1 או את FLT:2STM32L403L403FLT 3 יכול להשיג זרמי שינה מתחת ל-microamp בעוד שמירה על פונקציונליות SRAM ו RTC.

המונחים: sei mit e-Govert

יומני סביבה מרוחקים חייבים לעמוד בגשם, שלג, אבק, קרינה UV, קיצוניות טמפרטורה, אינטראקציות פוטנציאליות בעלי חיים.הסגר הוא קו ההגנה הראשון ויש לבחור בקפידה על בסיס סביבת הפריסה.שיקולים מרכזיים כוללים הגנה מפני התקפה (IP) דירוג, התנגדות חומרית לשפל של UV, מוליכות תרמית לניהול חום, וכוח מכני להתנגד להשפעות של ענפים או פסולת.

הגנה וחותמת

לשימוש חיצוני, דירוג IP67 או IP68 הוא סטנדרטי. IP67 מגן מפני סיבולת זמנית עד 1 מטר, בעוד IP68 מאפשר תת-קרקעי מתמשך במעמקים המפורטים. Enclosures עשויים פוליקרבונט או ABS פלסטיק עם כרטיסי גז סיליקון נפוצים.עבור סביבות ימיות או גבוהות, מהנדסים חייבים לכלול מחסנים נשימות (למשל, מ-FLT:0G) כדי לספוגים את הביקורים ב-DIRLDLUMC) ולהחליפקודמים לתוך מחסנים (החזקהחזקה) ו- 1 (החזקהחזקהחזקהחזקה) ו-D) כדי לספוגהחזקה.

ניהול חלוף וריצה מגניב

טמפרטורות קיצוניות משפיעות על ביצועי הסוללה ואמינות האלקטרוניקה. בסביבות המדבר, טמפרטורות פנימיות בתוך המתחם הכהה יכולות לעלות על 70 מעלות צלזיוס. ציפוי חיצוני לבן או רפלקטיבי מפחית רווח חום סולארי. Adequate ventilation או כיור חום עשוי להיות נחוץ עבור רכיבים שיוצרים חום, כגון ממיר חשמל או משדרי לוויין. בתנאים קדחת פנימית (אלמנטים חמורים) יכול לשמור על סוללות המופעלות מעל פני השמש, על פני עודף, על פני זמן.

קורוזיה ובחירת חומרית

מזרזי פלדה ללא ספק, זריקה, ואלומיניום ברמה ימית מעדיפים על פלדה קונבנציונלית למנוע חלודה.כל המחברים החיצוניים (למשל, עבור לוחות סולאריים או חיישנים חיצוניים) צריכים להיות עמידים וחתמים עם תרכובות מתפתלות ברמה ימית.

אינטגרציה חושית: דמוקרטיה וארוכות

איכות הנתונים הסביבתיים תלויה דיוק חיישן, דיוק ויציבות ארוכת טווח.יש לבחור לא רק לביצוע מדידה אלא גם לצריכת חשמל, גודל ועוצמה.קליברציה לפני פריסה ואימות תקופתיים הם הכרחיים לשמור על שלמות נתונים על משימות מרובות שנים.

המונחים: environmental Parameters

מדידות נפוצות כוללות טמפרטורה, לחות יחסית, לחץ אטמוספירי, מהירות רוח וכיוון, קרינה סולארית, משקעים, לחות אדמה ואיכות אוויר (למשל, CO2, PM2.5) למחקרים מיוחדים, חיישנים נוספים לאיכות המים (pH, מתמוסס חמצן, זעזועים) או ביו-מגוון ( ניטור אקוסטי, מלכודות מצלמה) עשויים להוסיף.

בחירת חיישן בעוצמה נמוכה

חיישנים דיגיטליים עם ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים משולבים (ADCs) וממשקי I2C / SPI עדיפים כי ניתן להציב במצב שינה בין קריאה.לדוגמה, ה-FLT:0BME280FLT1 טמפרטורה / שמנת יתר / חיישן לחץ מ- Boschtec שואב רק 0.1A במצב שינה ו-2.8A מיקרו במהלך מדידה אחת:

המונחים: Drift Compensation

כל החיישנים נסחפו לאורך זמן בשל ההזדקנות, זיהום, או מתח סביבתי. עקומות קליברציה הוקמו במעבדה לפני הפריסה, לעתים קרובות באמצעות אזכורים רב-נקודות. עבור חיישנים, RTD פלטינה (למשל, PT100) מספק יציבות ארוכת טווח מעולה.עבור חיישני לחות, השוואה תקופתית עם asyperometer במהלך תחזוקה עוזרת לנסח.

רכישת נתונים ועיבוד

ברגע שאות חיישן נלכדים, הם חייבים להיות מסוננים, מומרים לערכים דיגיטליים, או מאוחסנים מקומית או מועברים.שרשרת האות האנלוגית חייבת להיות מיועדת לחסינות רעש, במיוחד בסביבות רועשות מבחינה חשמלית (למשל, ליד מפגעים סולאריים או משדרי רדיו).

אנליזה Front-End and Filter

עבור חיישנים אנלוגיים, מגבר תפעולי מדויק עם סחף נמוך הם חיוניים. A 16 סיביות או 24bit sigma-delta ADC מספק פתרון מספיק עבור רוב המדידות הסביבתיות.אנטי-aliasing מסננים (RC נמוך או פעיל) להסיר רעש גבוה ⁇ .לדוגמה, RTFLT:0ADS12FLT:1 מ-20,000 מ- Instrumentss משלבת תוכנית רווחת 24-Abit (Abit) כמו גשר אידיאלי) או אידיאלי עבור RT-Abit (Abit) כמו RT-AvD) או אידיאלי עבור הגשר (Av3D-AvD) כמו RTD.

קידוד ואחסון

נתונים מאוחסנים בדרך כלל בכרטיס מיקרו-SD או זיכרון פלאש פנימי.עבור פריסות ארוכות טווח, כרטיס SD 32 GB יכול להחזיק שנים של קריאה של חיישן שעה.מערכת הקבצים צריכה להשתמש בפורמט חזק (למשל, FAT32 או EXT4) עם בדרגת לביש.כדי למנוע אובדן נתונים במהלך כשל כוח, supercapacitor או גיבוי סוללות קטן מספק מספיק אנרגיה כדי ל-buffic וקבצים קרובים מאוד.

צוק ו-Data Reduction

(העברת נתונים עתירי גבוה (למשל, 1-שני דגימות רוח) על קישורים לווייניים הוא יקר באופן בלתי חוקי. Edge עיבוד יכול למקם סטטיסטיקות (mean, max, min, , סטיות סטנדרטיות) על מרווח כניסה ולהעביר רק את הסיכומים. עבור הרחבת אירוע אינטליגנטי (למשל, תמונות מלכודות מצלמה או סיווג אקוסטי), למידה דלת כוח נמוך תוך שימוש ב-ARMx-M4 ליטרים (LFer) או DSPer עם DVal) ל-DValer.

אסטרטגיות תקשורת עבור קישוריות מרחוק

שידור נתונים אמין הוא לעתים קרובות האתגר העיצובי הקשה ביותר.טכנולוגיית התקשורת האופטימלית תלויה מרחוק, נפח נתונים, תדירות ותקציב כוח.השולחן הבא מסכם את ה- Tradingoffs (למרות שלא הוצגו בפורמט שולחן, אנו נפרט אפשרויות).

תקשורת לווינית (Iridium, Globalstar, Inmarsat)

עבור אזורים מרוחקים באמת ללא כיסוי רדיו סלולרי או ארוך טווח, מודמים לווין מספקים את האפשרות היחידה.שירות הנתונים הקצר של Iridium (SBD) הוא פופולרי עבור כניסה סביבתית דלת כוח נמוך כי הוא משתמש רק 100-500 על ידי הילוכים ו צורכת פחות מ 1 W32 בעת שידור.

Long-Range Terrestrial (LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox)

באזורים פחות מרוחקים (עם 10-50 ק"מ של תחנת בסיס), לורארט (Long Range Network) מציע כיסוי מצוין עם צריכת חשמל נמוכה מאוד (שיא 50 מ"מ) של תחנת הבסיס:0RN2483FLT:1IoT או IoTFLT:2Semtech SX1276FLT 3 טרנסceivers משותף.

שיטות מאפר וחנות-and-Forward

כאשר שידור ישיר הוא בלתי אפשרי, ניתן להעביר נתונים באמצעות צומת ביניים (mesh) או בדיקה גופנית לאחר מכן.חנות-and-קדימה כרוכה בהצלת נתונים על כרטיסי SD הניתנים להחלפה או כונן USB והחלפתם במהלך ביקורים תחזוקה. חלק מהמערכות משתמשות בכלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (drones) כי זבובים על תחנת הכניסה לאסוף נתונים באמצעות קישור אלחוטי קצר (למשל, 2.4GHz).

מערכת אדריכלות ותוכנות

אדריכלות קושחה מעוצבת חשובה כמו בחירת חומרה.הקושה חייבת לנהל מצבי חשמל, לוחות זמנים של קריאות חיישן, להתמודד עם אחסון נתונים ולבצע פרוטוקולי תקשורת באופן אמין. מערכות הפעלה בזמן אמת (RTOS) כמו FreeRTOS יכול לשמש עבור ריבוי קריאה מורכבת, אבל עבור יומני נתונים פשוטים מכונת מדינה חשוף הוא מספיק לעתים קרובות.

עיצוב עיצוב עיצוב תבניות

לולאה קושחה טיפוסית משתנה בין שינה עמוקה לבין מדינות פעילות.שעון בזמן אמת (RTC) מעיר את MCU במרווחים שנקבעו מראש (למשל, בכל שעה) המדינה הפעילה מבצעת קריאות חיישן, בדיקות עבור חלונות תקשורתיים, יומני נתונים, ולאחר מכן חוזר לישון. Watchdogs (WDT) הם חיוניים לאפסת המערכת אם היא תלויה עקב תקלות טרנזילות (קרינה גולגולתית, או קרינה גולגולתית).

Over-the-Air (טא) עדכון

עדכוני קושחה אלחוטיים משפרים את תוחלת החיים של המערכת על ידי מתן תיקונים באגים ותוספות תכונה ללא ביקור פיזי. OTA עדכונים באמצעות לוויין או LoRaWAN דורשים שיקול זהיר של מגבלות רוחב פס. אסטרטגיה נפוצה היא להעביר דלה (דפי) בין קושחה הישן והחדש בינארי כדי למזער את גודל ההעברה. Bootloaders חייב להיות מתוכנן להתאושש מעדכונים באמצעות מחיצות נופל.

אבחון מרחוק ובדיקות בריאות

מערכת ניטור מרחוק חזקה עוקב אחר מתח סוללה, טמפרטורה פנימית, פאנל סולארי הנוכחי, ומדיישן בריאות מדדים (למשל, כשלי תקשורת חיישן, רמות bufferots נתונים) ניתן להגדיר כדי לעורר הודעות דוא"ל או SMS באמצעות קישור תקשורת כאשר פרמטרים עולים על סף. פלטפורמות מסחריות רבות כמו FLT:0UbidotsF 1LT:1 אוLTF:2ing: 3Fing נתונים עבור שידור נתונים חזותיים עבור פתרונות נתונים חזותיים.

סודיות, תחזוקה, ויציבות ארוכת טווח

פריסה מוצלחת דורשת בחירת אתר זהירה, בדיקה מהירה ובדיקה יסודית.רווחי תחזוקה צריכים להיות ממזערים באמצעות עיצוב חזק ו ניטור מרחוק, אבל ביקורים פיזיים תקופתיים הם לעתים בלתי נמנעים.

בחירת האתר וההריגה

לוגר צריך להיות ממוקם רחוק ממקורות חום מלאכותיים (בניות, כבישים) ובאזורים פתוחים שמקבלים אור שמש ישיר (עבור לוחות סולאריים) גדרים (למשל, מסך הקרינה גיל) להגן על חיישני טמפרטורה מפני קרינה סולארית ישירה תוך מתן זרימה חופשית של אוויר אלחוטית (מערכות מוטבעות עבור חיישני הרוח דורשות חוטים ועגני כפייה.

מחזורי תחזוקה מונעים

אפילו מערכות אוטונומיות צריכות מדי פעם servicing. Common משימות כוללות: החלפת סוללות (כל 2-5 שנים בהתאם לכימיה), ניקוי חיישן (תעשייה, אינטרנטי עכביש), החלפת desiccant, עדכוני קושחה, וחידוש נתונים (אם לא מועברים) יומן תחזוקה ותיעוד ברור הם קריטיים לפרויקטים ארוכי טווח.

מצבי כישלון ו Redundancy

נקודות כישלונ נפוצות כוללות השפלה סוללות (במיוחד לאחר מחזורים עמוקים רבים), קורוזיון, שחיתות כרטיס SD וזיהוי חיישן. Redundancy בנוי לעתים קרובות: סוללות כפולות, חיישנים גיבוי (למשל, בדיקה טמפרטורה שנייה), ומדיה אחסון כפול (הבזק כללי בתוספת SD Card) , נתביפי מחשבת ומחזורי חומרה מקטינים את תקלות טראנסים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

מערכות משובצות סביבתיות מתפתחות במהירות.מגמות מפתח כוללות שילוב של למידה זעירה של מכונה (tinyML) עבור סיווג בזמן אמת, קצירת אנרגיה ממקורות מרובים (סולר + רטט + RF), והשימוש בקונסטלציות של כוכבי לכת (כמו LT:0SwarmFLT:1 או FLT:2HiberFalph 3) עבור קישוריות גלובלית נמוכה, AI יכול להפחית את הנתונים המשתנים באופן דרסטי (R)

מסקנה

תכנון מערכות משובצות עבור נתונים סביבתיים ⁇ באזורים מרוחקים דורש גישה (FLT:0 â ¢-levelultureFLT:1 גישה אשר מאזן תקציבי כוח, עמידות, דיוק חיישן ואמינות תקשורת. על ידי בחירה בקפידה רכיבים בעלי עוצמה נמוכה, אולמות מתוחים, וטכנולוגיות תקשורת מתאימות, מהנדסים יכולים לבנות תחנות הפועלות באופן אוטונומי במשך שנים.