Uzun vadeli Uzaktan İzleme için Kendini güçlü bir şekilde Iot Sensörleri Geliştirmek

Büyüyen A Özerk Uzaktan İzlemeye İhtiyacı

Uzun vadeli uzaktan izleme talebi, hassas tarım, yapısal sağlık izleme, çevresel bilim ve felaket erken uyarı gibi endüstrilerde artış gösterdi. Geleneksel sensörler, ulaşılamayan yerlerin sürekli olarak güvenli bir şekilde değiştirilmesine izin vererek bu sorunları çözmüş durumda.Örneğin, büyük bir çiftlikte yüksek bakım sensörleri ağı, insan müdahalesi olmadan yıllar boyunca veriye gömülüyor ve bu sensörlerin çevrelerinden gelen bu pahalıya doğru geçiş yapan bir köprüyü kullanarak, bu tür bir trafik tasarrufuna izin veren bir sistemdeki tüm güvenli olmayan bir şekilde entegre edebilir.

Gerçek öz yeterliliğe ulaşmak için, bir IoT sensör sistemi üç kritik alt sistemi entegre etmelidir: bugün etkili bir enerji toplama modülü ve ultra-düşük-güçlü bilgisayar ve iletişim elektronikleri.Her alt sistem, amaçlanan çevre ve görev döngüsüne dikkatle uymalıdır.

Enerji Autonomy için Core Technologies

Orta Kaynaklarından Enerji Üretiyor

Enerji hasat, kendi güçlü sensörlerin temel taşıdır. En yaygın çevre kaynakları güneş, termal gradientler, mekanik titreşimler ve radyo-frezeler (RF) radyasyondur. Seçim, dağıtım ortamına ve gerekli güç bütçesine bağlıdır.

[FONT:0]Solar hasat[[Dönetici:0) Güneşi (PV) hücreleri, kapalı veya düşük ışık koşulları için, boya-sensitleştirilmiş güneş hücreleri (DSSCs) ve perovskite hücreler daha az verimli olsa da, 20 cm’lik bir alana sahip tipik bir açık PV modülü, 10-50 mWd yüzeysel veya düşük ışık koşulları için, her türlü güneş sensörüne uygun olabilir.

[FONT:0]Thermoelektrik jeneratörleri (TEGs)), düşük seviyeli sensörler aracılığıyla sıcaklık farklılıklarına dönüşür.Onlar sıcak yüzeyin mevcut olduğu veya jeotermal ve atık ısıtılmış bir yüklemeler ile endüstriyel makineler için idealdir. 10°C'nin sürekli olarak fabrika ortamlarındaki ısıdan çalışan 100-500 μW/cm2'ye kadar yeterli.

[FONT:0]Piezoelektrik enerjisi hasat[[DÜT:1] Makineden mekanik titreşimler, makineden, insan hareketinden veya yapısal oscillations'dan elde edilen sıvılar, 10 Hz ve 200 Hz arasında vibrasyon frekanslarından onlarca mikrowatt üretebilir. Bu özellikle köprülerin yapısal sağlık izlemesi için faydalıdır.

[FONT=0]RF enerji hasat[[[Döneticileri), çevre elektromanyetik dalgalar Wi-Fi, hücresel veya TV yayın kuleleri ile birkaç yüz metreye kadar, güç kesintileri düşük (tipik olarak 1 μW / cm2 altında), son gelişmeler RF ve güneş hasatlarında sensör etiketleri ile pratik düğümler sağladı.

Enerji Depolama: Kapasite ve Longevity

Enerji depolama, güneş için gece (örneğin vitreus için boş zamanlar) için köprü dönemleri için gereklidir. İki birincil seçenek şarj edilebilir bataryalar ve süper kapasiteye sahipler (5-10 yıl), süper kapasiteye sahipler genellikle yüzlerce şarj döngüsüne (yaklaşık 40 °C'ye kadar) ve yüksek enerji verimliliğine (örneğin, yüksek enerji verimliliğine) ihtiyaç duyarlar.

Güç Yönetimi Entegre Devreler (PMICs)

Verimli kaplama sistemleri, enerji toplayıcısı ve radyo için kullanılan yüksek çözünürlükte (bu, TEG'ler için düşük) ve maksimum güç noktası izleme (MPPT) için tedarik raylarına ayarlandığında, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir dizi yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte 100 $ 'a kadar yüksek çözünürlükte bulunan bir ürüne sahip olan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bir şekilde otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak yüklenebilir.

Low-Power Electronics ve Design Strategies

Ultra-Low-Power Microdenetler

Texas Instruments MSP430 (projektif güvenlik veya sensör gibi) ve ARM Cortex-M0+ tabanlı MCUs (e.g., STM32L0 serisi, 0,3 inçlik bir uyku işlemi ile birlikte MCU'nun standart seçenekleriyle birlikte, MCU'nun kriptografik güvenlik veya okuma gibi ortak görevleri için özel donanım hızlandırıcıları entegre eder. Örneğin, nc'i hızlı bir şekilde kurtarması gerekir.

Low-Power Sensörler ve Readout Interfaces

Sensörler düşük güç tüketimi için seçilmelidir. MEMS, TMP117 gibi hızlayıcılar sadece 100 Hz'de 1,8'lik bir veri oranına sahiptir ve MCU'yu sadece bir eşiğine hükmetme göre uyandırmak için yapılandırılabilirler. TMP117 gibi dijital sıcaklık sensörleri, sadece kapalı bir şekilde 200 nA'yı çizer - militaryada ortalama olarak, düşük güç gaz sensörleri (örneğin CO2 veya NOx) mikrowattlar için kullanılabilir hale gelir.

Enerji-Efficient Kablosuz İletişim

Kablosuz veri iletimi genellikle bir IoT sensöründe en büyük enerji tüketicisi yoktur. Doğru protokolü seçmek kritiktir.Ücretsiz enerji dağıtımlarında % 0.1 $ (en yüksek aralıkta) daha iyi bir şekilde kullanılabilir.

Uzun Süreli Deployment için Pratik Tasarım

Enerji Bütçeleme ve Görev Bisikleti

Sert bir enerji bütçesi başarılı bir kendini güçlü bir sensör temelidir. Tasarımcı, MCU, sensör ve radyonun tipik bir işlem altında tüketilmesi, ardından her saat boyunca ortalama bir değere sahip olan ve her saat boyunca bir paketletilmesi veya titreşimin en kötü durumdaki artış oranını tahmin etmelidir.

Durability ve Çevre Koruma

Uzaktan sensörler genellikle sert koşullarla karşı karşıya kalır: sıcaklık aşırısı, nem, toz, kimyasal maruz kalma ve fiziksel etkiler. Bir IP67-zegende bir muhafazanın içindeki elektronikleri sıkılır, ancak termal yönetim güneş panelleri entegre edildiğinde kritik olur - ışıktan maruz kalırlar, ancak elektronikler soğuk olmalıdır. Conformal kaplamalar, metalik mühürler, nem inme sinyaline karşı koruma sağlar. Dışsal sensörler için, UV-stable malzemeler (örneğin, pürüz, akrilik) tercih edilir.

Data Transmission and Edge Processing

Daha fazla enerji tüketimi, sensörler, veri işleme ve karar verme (toplayıcı) üzerinde performans gösterebilirler, bir anomalinin tespit edildiğinde, ortalamaları hesaplayabilir, sonuçları tespit edebilir (örneğin, hafif makine öğrenme modellerini bir eşleme yaparak) veya hatta STM32L4 serisini tümleşik DSP örneğinde sınıflandırmak yerine, bir mikro kontrol cihazı kullanan birkaç saniye içinde tüketebilir.

Gerçek Dünya Vaka Çalışmaları

Hassas Tarım: Güneş Enerjisi Edilen Toprak İzleme

Kaliforniya'daki bir bağ, LoRaWAN kullanarak 200 tane güçlü toprak nem ve sıcaklık sensörleri kullanıyor. Her düğüm, 6 cm × 6 cm morf silikon güneş paneli, 10 FİLA ve bir TPS6274089C. MCU (MSP430FR5969) sensörü okumak için bir saat boyunca uyanıyor, sonra veri paketi (20 ilat) ile yaklaşık 50 $ tasarruflu bir ağ geçidine geçiyor.

Yapısal Sağlık İzleme: Köprü Titreşimlerinden Piezoelektrik Enerji

Avrupa'da bir demiryolu köprüsünde, araştırmacılar, tren tarafından üretilen enerjiden oluşan hız düğümleri kurdular.Her kimse, yüksek kapasiteli bir vitreusta ve frekans kullanan bir paketle sabit bir gün boyunca 40 tren pasajı ile kapatıyor.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Enerji Üretme Verimliliğinin İyileştirilmesi

İlerlemeye rağmen, çoğu hasatçı, mevcut çevre enerjisinden% 20'den azını kullanılabilir elektrik haline getirir. Yeni malzemeler - kapalı kullanım ve gelişmiş termoelektrik malzemeleri için yüksek ZT rakamlarıyla - önemli gelişmelerle ortaya çıkabilir. Araştırmayı basit bir güneş panelinde gün boyunca, çok sayıda kaynağı birleştiren sistemler (örneğin, güneş enerjisi + termoelektrik) neredeyse enerji tasarrufu sağlayabilir. Örneğin, değişken ortamlarda daha istikrarlı bir şekilde bir sensör. Örneğin, bir kutup üzerinde bir sensör, küçük bir güneş paneli kullanabilir.

Gelişmiş Enerji Depolama Depolama

Mevcut enerji depolama çözümleri çok katlı dağıtımlar için şişenck. Katı devlet pilleri ince film inşaatı ile daha yüksek enerji yoğunluk ve daha uzun yaşam geleneksel lityum iyonlarından daha yüksek enerji (örneğin, yüksek kapasiteli tren programları) veya daha yüksek enerji (örneğin, lityum-iyon kapasitörler) ile birlikte, gelişmiş depolama kapasitesi ile birlikte, enerji verimliliğine dayalı enerji verimliliğine ilişkin algoritmalarının süresini birleştirir.

Standartlaştırma ve Interoperability

IoT peyzajı birçok iletişim protokolü ve donanım platformları ile parçalanıyor. Hedef uygulamanın gerekli aralığı, veri oranı ve güç bütçesi gibi IEEE 1451.7 standart gibi girişimler, gelecekteki ölçeklenebilirlik planlamalarına yardımcı oluyor.

Güvenlik ve Veri Bütünlüğü

Kendi güçlü sensörler genellikle yetersiz ortamlarda çalışır, onları uzun dinleme pencerelerini sağlayan fiziksel tam kapasiteye ve siber saldırılara karşı savunmasız kalır. Low-power kriptografik çözümler - donanım AES şifrelemesi gibi - belirli bir ortak işleme ile çalışır - önemli bir güç tüketimi eklemeden veri korur. ancak, anahtar yönetim ve donanımlar için güncellenir ve Microchip ATECC608 gibi uzun bir anahtar doğrulama için düşük bir çözüm sunar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Kendi güçlü gömülü IoT sensörlerinin gelişimi artık bir laboratuvar merakı değildir - pratik, hızlı bir şekilde akıllı bir teknoloji, uzun vadeli uzaktan izlemenin geniş bir endüstri yelpazesinde tutulmasına olanak sağlar. Enerji tasarrufu, güneş, termal, vibrasyon veya RF kaynakları ile ultra-düşük güç elektronik, verimli bir şekilde genişletilebilir, verimli bir şekilde bisiklet, mühendisler, batarya değiştirmeden yıllar boyunca otonom olarak çalışan ve enerji tasarrufu sağlayan sistemleri geliştirirler.