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无线温度传感器的发展未来

行业聚焦点中国仪表网2012年11月06日 11:38人气:22786

  导读:当你在市场上找不到一个产品的时候,通常有其合理性。有可能是因为当前的科技水平还没有达到需要的程度,或者更有可能是因为还没有人想到要去开发这一产品。目前,在小型智能传感器方面有很多减小其体积的研发成果,但是并不是我屋子里的所有人都希望这些传感器比现在更小更智能。

    最近我们在讨论我们家里的温度调节器是如何控制的。这个命题促使我找到一个能够定位温控传感器的解决方案。实际上,许多无线温度调节器可以放置在传感器可能存在的任何地方。
  
  这些传感器系统有一个共同点:电池(通常两节AA电池)。同时要求有较高的电容容量,如3000mAh,并且具备锂内核。在被替换前,这些电池的使用时限应该超过1年。所以,如果要替换所有传感器中的一年期电池的话,我可以开出一张很长的列表,如烟雾警报器、一氧化碳探测器、玻璃防爆监控器和远程控制器等。
  
  当一个器件用到这种尺寸的电池时,对于制造商来说似乎需要借机增添其他特性,包括显示器、按钮等等。随着这些特性会在一定程度上增加使用的方便性,但是实际上却限制了器件应用领域。我也曾经寻找过尺寸接近图钉大小的物品,甚至尺寸只有25美分硬币大小的物品。我希望能够找到一种墙上温度调节器的替代方案,采用一种小到可以被忽略的遥控式无线温度传感器来替代传统尺寸的传感器。可惜运气并没有那么好。
  
  当你在市场上找不到一个产品的时候,通常有其合理性。有可能是因为当前的科技水平还没有达到需要的程度,或者更有可能是因为还没有人想到要去开发这一产品。目前,在小型智能传感器方面有很多减小其体积的研发成果,但是并不是我屋子里的所有人都希望这些传感器比现在更小更智能。因此,我为什么不能找到一个简化的小型无线温度传感器与传统的恒温调节器相连呢?
  
  如何将一个无线传感器与一个恒温调节器相连接呢?现在一些器件已经可以每秒发送一个蓝牙低能量数据包(BTLE),这大约需要在一秒的时间周期内消耗25微安的功率。如果你将这一时间周期增加到15秒,那么此时的平均电流会比4微安还小。所以,如果以15秒为一个周期来触发控制室温传感器将是一个合理的选择。
  
  除了在15秒内传感器工作所消耗的平均电流外,启动传感器并且对数据包进行处理运算仅会略微增加额外的功耗。通常来说,这些额外功能的平均功耗小于2微安。所以总的来说,整个传感器消耗的功耗约为6微安。因此,对于一个3.0伏的输入电压来说,我们需要18微瓦的输入功耗。
  
  图1所示为通常办公室荧光照片条件下不同类型的光电单元的最大功耗情况。光照强度以光强为测量单位,并且分别对每个单位面积来测量光照强度,一个光照强度大小对应每平方米一个流明单位。举个例子,一个普通办工作表面的光照强度为500光强,也就是说每平方厘米的光强为12到14微瓦。然而,天花板和墙壁的光照强度都非常小,一般来说只有200光强。所以在这种情况下,每平方厘米的最大光强约为5到7微瓦。这些室内的光照水平预计将在未来的几年中不断改善,到2015年可能会达到每平方厘米20微瓦。
  
  图1:不同类型的光电单元的最大功耗情况
  
  考虑到室内灯光并不是总是开着的,对于18微瓦对应的总面积来说,我们需要多达10平方厘米的光强单元。在这种情况下,我假设室内灯光在一天的25%时间内打开。这比我们的那些尺寸只有25美分硬币大小的无线传感器来说要大许多,此时的传感器大小为4.6平方厘米。我们总是能将传感器的刷新时间减少至30秒。当光线强度降低到非常低的水平时,例如小于50光强时,感光单元的功率将会非常小。因此,我们不能基于非常弱的光线来帮我们产生太多的能量。
  
  当使用再生能量为我们的无线温度传感器供电时,我们需要解决储能问题。当把功率转换和储能管理结合起来考虑的时候,一种集成的解决方式通常是最佳的。现在已经存在几种集成电路解决方案。其中,关键的参数是启动电压、静态电流和能量效率。这些器件通常还具有其他功能,如低储能警示,甚至能够在不同的储能设备之间自动切换。
  
  如果我们用CR2032代替再生能量技术,会发生什么情况呢?当放电至2.8伏时,电容在20摄氏度、18微瓦放电情况下的蓄能能力为170mAh。为了充分使用这种电容,需要一种自举整流器来提供3伏的输出电压。通常mWh的储能能力对应490wWh。对应18微瓦的平均功耗来说,一个钮扣电池能够为无线温度传感器供电长达三年之久。在这种情况下,采用再生能量技术可能并没有优势,而且每三年更换一次电池也不是一件容易的事情。
  
  所以,为什么我无法找到一种尺寸只有一个25美分硬币的无线温度传感器呢?我实际上也无法给出答案。可能市场人士会说只有我是这种传感器的唯一消费者。也可能这些系统通常必须具备显示器,因此这种钮扣电池无法为这套系统提供足够长的供电时间。如果考虑到百分之十的转换损耗和300纳安的静态电流,我将不得不每隔两年半更换一次电池。
  
  如果一个可以与贴在墙上的恒温调节器连接的、并且会不断发声的无线温度传感器,其尺寸只有两个叠在一起的25美分硬币那么大,你会是什么想法呢。也许这是最适合我们家房间的最佳解决方案吧!
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