传感器如何驱动物联网的

艾欧体(Aiouti)物联网资讯:没有传感器,就不会有物联网(IoT),因为它们可以测量和记录温度、亮度、移动等各种参数,并将数据传输到智能控制设备里。虽然它们的功耗通常很低,传感器也需要电源才能运作。要确保电池供电的传感器无须任何维护的情况下保持运行多年是一项困难的任务。本文将介绍如何透过创新的解决方案来大幅延长电池的使用寿命,以及如何从4-20mA环路汲取三倍的电流。

没有传感器,就不会有物联网

随着Industry 4.0的到来,信息物理系统(CPS)、物联网(IoT)和云计算已经进入现代化工厂。作为综合通信网络,CPS可以与其他系统及人类通信的同时做决策和采取行动。过去几年以来,技术的进步脚步能突飞猛进的主因之一是传感器的价格下降。仅在十年以前,传感器技术仍高度专业化。而今天,传感器是一个大众商品,可以让越来越多的设备整合成一个网络来组合、处理和交换更大量的数据。然而,这种网络中的每一个传感器都必须使用集中电源或电池。

3V钮扣电池的神话

许多IoT和Industry 4.0应用使用3V钮扣电池,不仅价格便宜还非常可靠,不过缺点是需要经常换新。充满电的CR2032钮扣电池供应约3.2V的电压,仅在几个小时就降至3V以下,这对某些无线模块来说可能是不够的(如WLAN、蓝牙、LoRaWAN等)。结果就是传输会变得不稳定或者信号范围可能突然受到限制。

使用开关稳压器延长电池寿命

翌芯科技代理品牌RECOM的R-78S升压行开关稳压器(图1)是专为电池供电的IoT器件所设计开发的。即插即用的模块可以从0.65VDC至3.15VDC的输入电压提供3.3V的稳定输出,而且还能从电池挤出最后一点能量。因此R-78S的用户只需一个1.5V的电池来为微处理器、WLAN/蓝牙模块和IoT系统供电,因为该电池的使用寿命会比一般的钮扣电池要长许多。

将缓冲电容集成到电路中的R-78可以设置睡眠模式

路消耗大约600μW。当不发送数据时,电路处于睡眠模式,R-78S则由缓冲电容器供电,仅消耗7μA。如果电容的电荷低于一定程度,电路将被暂时激活以进行充电。该技术保证可以达到可靠地、免维护地运行10年以上。由于转换器的价格不高,加上大幅降低电池和维护的成本,因此这额外的投资非常物超所值。

硬联机系统的解决方案

在过程控制技术中,4-20mA环路已是一个很稳定的技术。该技术在开发的七十年后仍被广泛使用,并将继续在许多应用上发挥重要的功能。4-20mA环路非常适合恶劣的工业环境,因为它们的电流信号不易受到干扰。这些回路根据简单的双线技术,信号是以特定电流的形式进行传输。在所有的应用中,4mA是0%而20mA是100%,这让系统很安全因为系统必须至少有4mA的电流。

断线或传感器故障可以立即侦测到,但是如果没有电流的话问题就大了。4-20mA环路适合长距离的信号传输,在这之间的任何一处都可以接收信号。现代的数字技术让4-20mA环路发挥会更大的作用。在最新的4-20mA环路系统中,来自多个传感器的数据通过DSP进行处理和组合,然后沿着单个模拟线路,以调频脉冲的形式发送。这需要两个HART(高速可寻址远程传感器)调制解调器执行,将发射器的数字数据包调制成模拟信号,然后在接收器再次解调数据。这种方法可以在不安装更多的环路电缆的情况下集成数个传感器,这是为什么在制造业中HART是现在最流行的数据协议的主要原因。因此,HART技术在保持4-20mA环路技术上扮演着举足轻重的角色。

驱动传感器的电流界面

翌芯科技代理品牌RECOM新的R420-1.8/PL开关稳压器(图4)是克服这些所有问题的最佳解决方案。由于有创新的拓扑结构,R420-1.8/PL的空闲电流已经降低到0.5mA,而输出端可以用全电压。我们来看一个具体的例子:在输入端使用24VDC和传感器,且完全不会降低环路的功能或者系统的测量精度。新的开关稳压器的另一个优势是它可以轻松地与电阻组合以实现1.8V至5V之间的输出电压。

结论

物联网其实是传感器的互联网,因此创新的电源解决方案是重要关键。RECOM提供的智能组件能节省电池电力,例如R78-S升压型开关稳压器。这些调节器可以挤出电池最后一点能量,所以应用可以多运行十几年,也没有维修的需求。同时,由于数字化的关系,测试和检验技术(如4-20mA环路)越来越受欢迎。开关稳压器不断在进步,例如RECOMR420提供的功率比传统线性稳压器多出三倍,而这些创新的开关稳压器可以确保过去为我们服务多年的技术在未来持续下去。

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