下圖是本公司的一款型號(hào)SWSN-T2的無(wú)線溫度傳感器 ，它可以在7200mAh的內(nèi)置電池1秒的采樣間隔的情況下，電池連續(xù)使用1年以上。如果5秒采樣一次，電池使用壽命就有5年以上了，而且距離是空曠1000米。我覺(jué)得在很多文章里面理論的東西太多 ，實(shí)際上在產(chǎn)品開發(fā)供應(yīng)的時(shí)候，由于受很多硬件條件的限制，怎么樣在這個(gè)限制下將產(chǎn)品做好是不完全一樣的。
一、超低功耗如何實(shí)現(xiàn)
我們知道原來(lái)的傳感器都是模擬電路，這個(gè)測(cè)量都是連續(xù)而且高功耗的，隨著數(shù)字電路的興起，我們所有的采樣都已經(jīng)是離散型，但是為了盡可能的保留被測(cè)參數(shù)的原始特性，我們的采樣速率都很高，從最少的每秒幾十次到幾十兆次。但我們知道，在實(shí)際應(yīng)用中很多參數(shù)我們只需要每秒采樣一次甚至每分鐘采樣一次就可以，只要這個(gè)采樣是精確可靠的。那么我們的低功耗的實(shí)現(xiàn)方法就出現(xiàn)了，我們可以只使用1%不到的時(shí)間來(lái)工作，其它的時(shí)間都讓整個(gè)系統(tǒng)包括采樣電路處于超低功耗的待機(jī)狀態(tài)，對(duì)無(wú)線的部分的控制也是這樣的，即無(wú)線部分的工作時(shí)間也是嚴(yán)格控制不要超過(guò)1%，這樣整個(gè)系統(tǒng)的功耗就可以呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的降低。
二、采樣傳感器的選擇
下圖顯示的是SWSN-P2型無(wú)線壓力變送器的圖片，傳感器是擴(kuò)散硅為主。
我們知道壓力變送器的傳感器種類也很多，常見(jiàn)的有擴(kuò)散硅和電容式的，但是我們?cè)陂_發(fā)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，電容式的要做成低功耗相對(duì)困難一些，這個(gè)要實(shí)現(xiàn)采樣的低功耗，其實(shí)從兩個(gè)方面來(lái)做工作，一個(gè)是降低采樣電路的的工作電流，一個(gè)是減少采樣的穩(wěn)定工作時(shí)間，很多時(shí)候穩(wěn)定工作時(shí)間比電路的功耗更重要，因?yàn)槊看尾蓸忧安蓸与娐凡砰_啟，采樣完成后采樣電路是關(guān)閉狀態(tài)。所以傳感器和采樣電路能夠快速采樣并且快速穩(wěn)定是工作的重點(diǎn)。
再比如我們常見(jiàn)的環(huán)境量如二氧化碳含量的檢測(cè)，因?yàn)閭鞲衅鞯姆€(wěn)定時(shí)間太長(zhǎng)，所以做成低功耗將變得非常困難，這也是一個(gè)傳感器發(fā)展的方向，快速同時(shí)低功耗。
三、采樣方式的處理
在傳感器的數(shù)據(jù)采樣中經(jīng)常會(huì)有一些干擾，所以除了要傳感器以及采樣電路的低功耗，數(shù)據(jù)采樣后的后期處理也變的非常重要，比如由于追求數(shù)據(jù)高速采樣，但有時(shí)候有一定的比例傳感器采樣的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定時(shí)候的數(shù)據(jù)，這里就需要有個(gè)判斷，即本事采樣的數(shù)據(jù)是否是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一些異常的話就需要及時(shí)重新采樣，以確保采樣值的準(zhǔn)確穩(wěn)定。
四、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和處理
無(wú)線傳感器功耗最難的地方不是采樣的低功耗，更不是待機(jī)的低功耗，所以我們碰到好多產(chǎn)品說(shuō)待機(jī)功耗如何如何低，但是卻回避了低功耗的重點(diǎn)，重點(diǎn)是無(wú)線系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，因?yàn)槿绻麩o(wú)線協(xié)調(diào)時(shí)間比較長(zhǎng)的話，功耗是非常大的。例如我們知道無(wú)線部分開啟的話，即便不發(fā)送數(shù)據(jù)，電流值是不會(huì)低于20mA的，發(fā)射功耗一般不會(huì)低于50mA，如果這一塊處理不好，功耗不可能低，這也是為什么我們很多設(shè)備號(hào)稱功耗很低，用的是zigbee的協(xié)議，最后效果很差的原因。我們可以想一下，如果每次數(shù)據(jù)發(fā)送需要100mS時(shí)間，也就是十分之一秒，好象時(shí)間蠻短的吧，但算一下功耗，一秒一次發(fā)送平均功耗就到了5-10mA ，2000mA的高容量鋰電池，也抗不了10天電量就耗光了。
但是，無(wú)線使用的時(shí)間也不是想減少就能減少的，因?yàn)橐乐箓鞲衅髦g相互沖突，需要做協(xié)調(diào)，這就需要有一個(gè)高效的底層協(xié)調(diào)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。大家的教科書里面講了各種的同步算法，這里就不累述了，這些算法可以綜合運(yùn)用，但也不能拘泥于這些算法，不然就談不上創(chuàng)新了，大家要有這個(gè)意識(shí)。
順便說(shuō)一下zigbee 這個(gè)協(xié)議的出現(xiàn)有其突出的歷史地位，沒(méi)有人能夠否認(rèn)，作為教學(xué)的一部分也無(wú)可厚非，但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不完善，而且實(shí)用性不夠，這也逼迫我們開發(fā)自有的無(wú)線傳感協(xié)議。
五、工業(yè)無(wú)線傳感器的痛苦道路
在工業(yè)無(wú)線傳感器領(lǐng)域，有個(gè)公司不得不提，那就是愛(ài)默生公司，著名的Hart協(xié)議產(chǎn)品的供應(yīng)商，也是世界上最著名的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商，他們有一個(gè)自有協(xié)議的Wireless Hart協(xié)議的工業(yè)無(wú)線傳感器系列產(chǎn)品，和zigbee協(xié)議產(chǎn)品類似，過(guò)于短的無(wú)中繼通信距離，是一個(gè)跨越不了的技術(shù)短板。不論是zigbee協(xié)議還是Wireless Hart協(xié)議產(chǎn)品，空曠200多米，有障礙環(huán)境20米不到，將使施工和應(yīng)用變得異常艱難。所以我們被迫研發(fā)自有的SWSN協(xié)議，將無(wú)中繼距離擴(kuò)展5倍，同時(shí)功耗卻更低。這個(gè)過(guò)程由于異常困難，整個(gè)歷程是充滿艱辛和痛苦的。
涉及到衛(wèi)星通信技術(shù)的人都知道，使用一些特殊的編碼，比如前向糾錯(cuò)編碼，能在功率相同的情況下，大大提高通信的有效距離，這個(gè)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用上必將起到不可忽視的作用，因?yàn)椋偷墓?，更遠(yuǎn)的無(wú)中繼通信距離，永遠(yuǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心問(wèn)題，徹底的解決了這個(gè)問(wèn)題，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣才能成為可能。
六、無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)組織核心
在zigbee的網(wǎng)絡(luò)中，有終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和中心協(xié)調(diào)器三個(gè)設(shè)備組成，但是我們?cè)谧鲎杂械腟WSN協(xié)議的時(shí)候，力圖使這個(gè)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，同時(shí)是分布式的，所以我們將中繼、路由和協(xié)調(diào)功能集成到了我們自有的路由器中，實(shí)現(xiàn)了5跳的網(wǎng)絡(luò)布局，在我們看來(lái)，大部分情況下3跳網(wǎng)絡(luò)就是可以滿足要求的，跳數(shù)越多，意味著越多的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和越低的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，這個(gè)不以人的意愿為轉(zhuǎn)移的。
七、低功耗的綜合處理
在無(wú)線傳感器中，有很多廠商采用自己的低功耗采樣電路+獨(dú)立的無(wú)線傳輸模塊來(lái)做，所以功耗并不能真正降低下來(lái)。只有從低層做自己的協(xié)議，將采樣、無(wú)線協(xié)調(diào)綜合調(diào)控起來(lái)，才能達(dá)到超低功耗，這個(gè)事情省不了。
按照我們的協(xié)議處理方式，在無(wú)線傳感器的所有功耗中，待機(jī)功耗占用最少，不到10%，采樣功耗大概占用10-20%,無(wú)線部分的功耗占總功耗的70%左右，這也就意味著，除了協(xié)議的高效，還有一個(gè)方法也可以降低功耗，那就是每次采樣后，我們將采樣結(jié)果和上次傳輸?shù)臄?shù)值進(jìn)行比較，如果變化很小，小到可以忽略，那么我們?yōu)槭裁催€要耗費(fèi)能量重新傳輸一次這個(gè)數(shù)值呢？
八、綜合應(yīng)用打通互聯(lián)
無(wú)線傳感器的應(yīng)用，從來(lái)不是獨(dú)立的，他必須和各種有線傳感設(shè)備，更大的廣域網(wǎng)絡(luò)互通，做到開放兼容，才能慢慢被市場(chǎng)接受，因此我們的市場(chǎng)化產(chǎn)品里，有很多數(shù)據(jù)接收設(shè)備和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，我們發(fā)現(xiàn)，這一塊解決好了，用戶才能接受我們的產(chǎn)品，否則會(huì)距離用戶很遙遠(yuǎn)，還有一個(gè)我們堅(jiān)信的道理：協(xié)議是用出來(lái)的，不是有些設(shè)計(jì)院所在實(shí)驗(yàn)室里憑空想象出來(lái)的。所以現(xiàn)在爭(zhēng)論誰(shuí)的協(xié)議好，有點(diǎn)早，大家說(shuō)是吧。
另外，我覺(jué)得國(guó)內(nèi)的470M頻段更適合使用在無(wú)線傳感器領(lǐng)域，請(qǐng)大家也關(guān)注一下，不要國(guó)外的人搞2.4G的，我們也跟著搞2.4G的，要有個(gè)理由先。
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