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      行業資訊

      未來智能家居最有發展前景的電子元器件有哪些?

      在不久的將來,最有發展前景的電子元件之一是無線傳感器網絡(WSN)——的應用和部署,也就是說,該網絡由幾十到幾萬個小傳感器組成,在中央系統內執行測量、的計算和無線通信。單個傳感器或節點將以極低的功耗運行,收集其周圍的能量以支持運行,因此它們的安裝將不再需要昂貴的布線基礎設施,并且將在無需維護的情況下繼續運行數年。這些小而便宜的系統被授予“粘貼可用”傳感器的稱號。從這個標題中,我們可以看到這種傳感器的安裝是多么簡單。包括數十個、、數百個、甚至數萬個這樣的節點的WSN將進行多點感測,這已經是非常昂貴的、更加價格友好的并且實現動態控制以降低成本和擴展功能。讓我們舉個例子。像食品倉庫這樣的大型建筑將會有幾十個無線恒溫器來監控溫度和濕度。所有這些恒溫器將向中央系統報告這一信息。中央系統調節空氣流量和制冷,以保持一致的環境條件,最大限度地減少食物腐敗。這些傳感器可以放置在不同尋常的位置,如貨架下的、、垃圾箱底部的、,甚至是食物上,使用戶能夠更準確地了解環境條件的變化。
       
      1智能電網:分布式智能的領先應用分布式傳感最重要的應用之一是在電力行業。業界一直在尋找一種新的方法來測量和顯示整個電網內的功率流,以實現高效的、可靠服務??梢灶A測,通過改善基礎設施維護和更好地了解消費模式,向智能電網(通常稱為“智能電網”)的持續發展不僅可以提高輸電質量,而且有助于將成本控制在可控范圍內。事實上,每一個發電和輸電階段都可以受益于這種遠程傳感器,包括電力公司到大功率輸電和變電站,從街道輸電線路和變壓器到接入點、工廠和住宅中的辦公樓。這些位置的傳感器可以檢測使用習慣并將其報告給中央系統,從而使智能電網能夠微調自身以滿足這些需求,同時避免可能導致斷電和縮短設備使用壽命的過載情況。電網智能對于分布式電源的集成也至關重要,例如太陽能陣列、風電場和地熱發電廠。在以前非智能設備之間提供通信的技術進步催生了“智能家庭”和“智能工廠”以及無所不包的“物聯網”。這些形式的分布式智能將帶來新類型的應用程序,以實現更大的便利性和提高生產力,無論是外圍應用程序還是主要應用程序領域。無線節點將只負責智能電網中的一些分布式智能,因為許多傳感器將使用有線數據網絡或電力線本身作為物理網絡介質。然而,在一個重要方面,電力公司已經率先將無線技術應用于測量通信。多年來,公共事業已經開始用可以無線讀取的數字儀器取代傳統的機電儀器。無論如何,無線公用事業電表節省了抄表員每月檢查電表的費用?,F在抄表員可以在很短的時間內獲得抄表數而不用停留,并且通常不需要進入該場所的內部。更復雜的儀器通常在更廣的范圍內通信,因為它們收集和發送的數據可以幫助公共事業預測需求模式,更有效地提供服務。
       
      2、超低功耗是WSN的關鍵。德州儀器在開發能夠實現無線儀表的集成電路技術方面發揮了關鍵作用,德州儀器客戶是這些設備的重要供應商。作為低功耗模擬和混合信號行業的領導者,TI在設計、以制造可用于便攜式產品、工業和汽車控制系統等功率敏感應用的集成電路產品方面擁有悠久的歷史。今天,同樣的技術曾經為無線公用事業儀表開發出現在最新一代的組件中,它們消耗更少的能量,使它們非常適合為無線網絡產生傳感節點。WSN使用這些解決方案將有助于將智能引入住宅、、辦公室、、工廠、、農場、、娛樂、和自然環境-我們希望收集數據來幫助我們了解和控制任何地方的環境條件。設計遠程無線傳感器的設計人員必須在大量系統需求中做出適當的權衡,包括、尺寸的成本和可靠的組件電源,以及設計支持工具和軟件庫。還應該注意的是,遠程傳感器節點的一個基本考慮是超低功耗(ULP)組件的可用性。如果沒有ULP微控制器、存儲器、傳感器、收發器和其他系統功能,遠程無線傳感器無法以低成本實現。能夠從光源、的振動或熱量中收集和存儲環境能量的技術對于這些設備及其構成的WSN的成功也是至關重要的。任何測量系統的核心都是微控制器單元(MCU),它執行計算并控制系統。為了省電,無線傳感器節點需要ULP微控制器長時間睡眠——通常超過99%的時間。激活周期包括快速喚醒、,以有效執行測量、通信和控制功能、,然后返回睡眠狀態。由于傳感器可能有大量的應用,為了實現靈活性,單片機必須具備足夠的外設功能,并且在不使用時仍能關閉外設,從而達到省電的目的。同樣,必須編寫微控制器軟件,以最大限度地減少計算量,并利用設備固有的任何節能功能。與微控制器類似,所有其他系統組件在執行任務時必須設計為僅消耗極少量的功率。存儲器必須有足夠的空間來保存程序和數據,并且足夠快,以便在微控制器被喚醒時支持一個短的活動周期。然而,存儲器還必須設計成支持有效的讀寫,并在睡眠期間保持存儲數據的同時實現最小功耗。數據轉換器必須足夠快以支持系統的輸入和輸出,但功耗不得大于執行此任務所需的功耗。ULP發射機必須快速激活和關閉,在喚醒周期內發送和接收大量突發數據,能夠在足夠寬的范圍內傳輸以滿足網絡需求,并且可以支持不同的傳輸格式以實現靈活性。根據不同的網絡要求,節點可能需要接收數據,這在節能方面需要稍微不同的考慮。
       
      3、面向無線傳感器節點的3TI ULP產品現已上市。在無線傳感器節點中,合肥SMT電源子系統的設計非常重要。就能量而言,無論是太陽能電池板、熱能或壓電傳感器,還是其他設備,它們都必須由電路支撐。這些電路的設計目的是最大限度地收集能量,而不考慮周圍環境的變化。能量儲存在可充電電池或超級電容器中,或者兩者都有。為了優化電源,需要對這些設備進行仔細管理,以便在必要時為設備供電。感測熱量、、電流、、化學物質或其他環境條件的元件必須具有足夠的靈敏度以達到精確的程度,而不是過度功耗。當選擇這些組件來平衡功能和低功耗之間的關系時,傳感器節點應該能夠自主運行幾年?;谠跒楦鞣N應用設計集成電路產品方面積累的專業知識,TI可以提供滿足無線傳感器節點功率要求的解決方案。這些解決方案中的許多都是無線功率計的擴展,因此這項技術已經在實際應用中得到廣泛測試。將二者結合在一起,德州儀器的超大規模集成電路產品提供了一個完整的系統,并提供了強大的支持,從而使設計人員能夠為各種WSN應用創建無線傳感器節點。
       
      4、金剛狼 (Wolverine)MSP430 MCU TI無線感測解決方案的核心是“Wolverine”MSP430微操控器。借助于專門規劃用于ULP的架構,相關于之前的器材,Wolverine MCU的整體功耗削減了50%。此類MCU根據130納米 (nm) 超低走漏工藝技能,然后削減了激活和靜態功率,而針對器材的整個規劃庫被重新規劃,以充分利用這些節點特性。庫中的高成效元件包含模擬組件以及數字組件,這樣的話,MCU集成了比如12位高精度模數轉化器 (ADC) 的外設,此類外設可以在流耗只有75mA的一起,每秒鐘采樣200000次;以及運轉流耗僅有100納安 (nA),具有日歷和鬧鈴功用的實時時鐘 (RTC)。 Wolverine的片上電源辦理技能包含對7種作業形式的支持,高檔電源選通,以及高度響應自適應穩壓器。按照使用的特定要求,MCU被分為多個電源域,以完成器材內每個部件的動態辦理。MSP430架構所長時間具有的這個特性比以前愈加精細,擴展到更大功用塊內的單個模塊。為了在體系每次從待機切換到激活形式時最大限度地削減功率損耗,此器材運用其電源選通操控器將請求時鐘的模塊保持在激活狀態,一起將空閑模塊放置在保持形式。此外,經過主動適應負載的改變,比如說在高頻模塊加電時,智能電源辦理免除了關于外部緩沖電容器的需求。所有這些節點特性無需開發人員干涉,以無縫方法主動完成電源辦理。 
       
      5、快速、低功耗FRAM Wolverine MSP430架構在鐵電隨機存儲器 (FRAM) 集成方面也有重要意義。FRAM在結構方面與DRAM相類似,不同的是數據以晶態存儲,而不是以電荷狀態存儲。因而,FRAM具有與DRAM相似的讀取/寫入拜訪和周期時間,并且相對細巧。但是,與DRAM不同的是,FRAM對錯易失性的,并且可以在體系斷電時,持續保存數據。相關于常常用于程序的非易失性閃存存儲器,FRAM速度更快,能耗更低,并且寫入的次數更多。因而,具有集成FRAM的MCU代表了ULP體系(比如無線傳感器節點)在節電方面的重要技能進步。 閃存存儲器的一個問題就是其寫入所需求的相對較高的電壓電平(10至15V),有必要運用電荷泵并且每次操作需求運用很多電能。此外,閃存存儲器有必要在每次寫入前被擦除,這也是添加寫入操作復雜度,中斷體系運轉的一個要素,通常情況下,在體系其余部分等待時會浪費時間和電能。最終,閃存存儲器具有大約10000的寫入操作限制次數,這個次數限制關于那些每隔一秒鐘到幾秒鐘就要對數據更新數次,并且需求天長日久不斷進行此類操作的體系來說是不夠的。雖然閃存常常用于程序存儲,但這些要素使其不能用于數據存儲,因而就有必要運用易失性SRAM塊。體系斷電時,有必要將數據從SRAM寫入閃存來完成非易失性存儲,而在加電時,從閃存讀取相應數據到SRAM。 FRAM是一款真實的隨機存儲器,其中的每個位可被獨自地讀取或寫入,并且其具有一個簡略的、單步寫入過程,無需獨自的擦除操作。FRAM寫入只需1.5V電壓,這樣就不需求電荷泵了,并且也不會在擦除現有數據時中斷體系形成延遲。因而,FRAM寫入拜訪比閃存寫入快100倍,而FRAM的激活寫入所需能量比閃存少250倍。此外,對FRAM的寫入實際上是無限的—大約1015個寫入周期—這樣的話,在運用存儲器進行數據儲存時不會有任何困難。程序和數據存儲器可被統一為單個塊,并且可以根據使用的需求進行分區。數據在斷電期間保存在存儲器中,然后使規劃人員不但免除了關于外部電荷泵的需求,并且也就不再需求大型電容器為其供電了。關于比如無線傳感器節點的能量收集體系,FRAM所具有的節電特性成為完成成功規劃的要害。 6納米級功率能量收集 無線傳感器節點的成功規劃將有必要從環境能源中收集能量。電源子體系將有必要優化太陽能、熱電、電磁和振動源中發生的微瓦至毫瓦級功率,然后將提取的能量存儲器在鋰離子電池和超級電容器等元件中。TI的bq25504升壓充電器專門規劃用于這一級別的電源辦理,它特有低靜態電流和高轉化功率。最大功率點盯梢 (MPPT) 優化了提取自DC收集器的能量,比如改變光照條件下的太陽能板,以及不同熱條件下的熱電發電機 (TEG)。所發生的成果將是革命性的:在小型太陽能供電體系中,相關于線性穩壓器,此類器材的運用可以將可用收集能量添加30%,到達70%。這樣高的功率使得規劃人員可以從太陽能板和其它換能器中收集更多能量,然后以更低本錢完成愈加小型化的感測節點。 今日的無線公共事業儀表得益于TI在低功耗RF電路方面的專業知識,而同樣的技能也使用于無線傳感器節點中。例如TI的CC2500和CC2520器材,是低本錢2.4GHz收發器,規劃用于極低功耗無線使用。此電路轉為2400至2483.5MHz ISM(工業、科學和醫療)以及SRD(短程器材)頻帶而規劃。RF收發器與高度可裝備基帶調制解調器,此調制解調器支持根據不同標準的調制格式。
       
       7WSN將使智能國際愈加智能 就像WSN可在大規模的環境中運轉相同,針對體系輸入的感測元件也各有不同。關于特定使用,TI技能可以大大削減感測元件的尺寸和功耗。例如,公司的TMP006紅外MEMS溫度傳感器將功耗和尺寸削減了超越90%,然后使得廠商可以在受限區域內,比如設備外殼內,精確測量溫度。TI還供給比如高集成LMP91050無色散紅外氣體傳感器模擬前端 (AFE) 的傳感器AFE,可以完成用來檢測CO2和氟利昂等制冷劑的超細巧感測解決方案。TI在其它領域開宣布的感測技能,比如公司與汽車制造商聯合開宣布的技能,也會被采用,以滿足WSN的需求。 跟著智能電網的不斷推廣,隨處可見的用電設備間的智能通訊將會充滿其間:住宅、辦公室、工廠,乃至在戶外。此類設備和它們的網絡監督外部條件并把其報告給中央體系的無線傳感器網絡,然后將本身的規模不斷擴展,然后完成對非常廣大的區域的操控。 這些WSN的完成依賴于廉價、超低功耗組件的供貨情況,這些組件可以收集環境能量、感測本地條件、執行必要的測量功用,并且定時經過無線傳輸來發布信息。根據在無線公共事業儀表和其它使用方面堆集的經歷,TI已經開宣布這項技能,并且現在可以供給可以為多種使用完成“粘貼可用”傳感器節點的產品。在一定程度上,由于TI的這項技能,智能網絡正在擴展現在智能國際的覆蓋規模。

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