發布日期：2022-05-20 點擊率：81
在任何給定時間內，物聯網 (IoT) 中大多數設備都可能處于空閑狀態。通常，僅需要 IoT 傳感器以不頻繁的時間間隔進行測量，并向信號收集器發送少量結果數據，然后返回最低耗能狀態，直到進行下一次測量。有的智能傳感器可通過小型電池供電，無需充電或更換即可使用數年。
如果能夠消除永久連接電源的需求，傳感器就可實現無限期部署，并可制作得更小、更輕。這為新型傳感器開發創造了機會，例如可以舒適穿戴的非侵入式醫學傳感器。連接到皮膚上的無線溫度感測貼片可以不時地執行快速檢查，相比于有線傳感器，穿戴者可以更自由地活動。相比可重復使用的引線式傳感器，一次性貼片還具有衛生優勢。
許多其他應用在粘性傳感器貼片出現以后獲益良多，如監測溫度、濕度或壓力。它們還可用于人員檢測、工業過程無連接監測、或者智能農業，如監測土壤或溫室條件，或者檢查牲畜體溫。
一種結合了超低功耗傳感器和 RFID 技術的全新智能傳感器正在興起。僅在 RFID 讀取器需要記錄讀數時，才會通過其發射的射頻場為這些傳感器供電。諸如此類的無電池傳感器僅在需要時才采集數據，然后將數據發送到讀取器，不會單獨進行測量或者存儲數據。
圖 1 表示無源貼片傳感器的功能塊簡化概述，包括到模擬或數字變送器的前端接口、信號調節、數據處理、無線通信和電源管理。為了集成各種元件，來構建以有限射頻場能量進行工作的系統，需要有成熟的低功耗設計，并仔細考慮計算負載并進行有效的功率管理。這樣的傳感器必須小巧靈活，易于貼裝，并且如果是可穿戴設備，還必須舒適，如生物傳感器。
圖 1：利用 RFID 技術的無源傳感器標簽功能元件
芯片和傳感器標簽
幸運的是，有多種集成度更高的無源感測和優化選擇。其中有 Texas Instruments 的 RF430FRL152H，它集成了實現圖 1 所示功能所需的所有電路，包括用于連接到模擬傳感器的 14 位三角積分 ADC、以及可用于連接數字傳感器的 SPI/I2C 端口。RF430FRL15xH 帶有通過鐵電 RAM (FRAM) 實現的 2 KB 非易失性存儲器，實現了低功耗、快速讀寫速度、無限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優勢。并且，由于 FRAM 可以在低供電電壓下工作，因此無需充電泵來產生升高的編程電壓。集成無線電符合 ISO 15693，允許使用標準 NFC/RFID 讀取器或啟用 NFC 的智能電話來讀取傳感器。
RF430FRL15xH 還提供了一個評估套件，由一塊基板以及集成天線與環境光和溫度傳感器組成。支持固件包括 RF 堆棧、驅動程序庫和引導代碼。受 TI 的 Code Composer Studio 設計環境支持。另外還提供傳感器集線器增強包擴展板，其中含有 MEMS 運動傳感器和壓力、濕度、溫度和光傳感器。
提供的參考設計涵蓋構建用于測量溫度或皮電反應的生物傳感器貼片所需的一切，包括使用 NFC 詢問傳感器的 Android 手機應用、以及一個用于配置和展示貼片的 PC GUI。
集成智能無源傳感器
ON Semiconductor 采取了一種不同的方法，開發出全集成式智能無源傳感器，用于監測溫度、濕度或壓力。
支持這些傳感器的生態系統包括多合一開發套件和具有自身內置 GUI 和 IoT 連接的便攜式電池供電讀取器。該讀取器可從傳感器標簽采集數據。多種商用固定式或手持式讀取器經測試也可與這些標簽配合使用。
如圖 2 所示，ON Semiconductor 智能無源傳感器采用激勵回路，能夠通過測量阻抗變化實現濕度或壓力監測，并采用了一個無微控制器的自微調 IC，其中含有自適應 RFID 前端、片載溫度傳感器以及用于唯一標識的集成式存儲器。標簽使用行業標準第 2 代 UHF 協議進行通信。當讀取器初始化通信時，IC 測量此激勵回路內的溫度條件，并將含數字化溫度的測量數據從片載傳感器傳輸到讀取器。通過監測射頻信號強度，集成 RSSI 還可進行接近檢測或動作檢測。
圖 2：通過檢測內置激勵回路的阻抗變化，ON Semiconductor 全集成式傳感器標簽可測量壓力和濕度。
ON Semiconductor 開發出了一系列傳感器，可用于濕度測量、浸水檢測和溫度測量等應用，總結見表 1。它們適合各種工業和醫學場景，如質量控制和環境監測。
符合 NFC 和 RFID 標準的手持讀取器可用于讀取智能無源傳感器，并已在供應鏈管理等使用案例中得到驗證。與掃描 RFID 標簽以記錄收貨或發貨的方式完全一樣，掃描無源傳感器可以獲取讀數。在供應鏈應用中，將 RFID 標簽升級為傳感器標簽帶來額外功能，可記錄供應鏈中貨物在任何位置的狀態。例如，用于驗證是否符合規定的存儲條件，或者幫助識別供應鏈中可能出現損壞的點。表 1：用于濕度和溫度檢測的全集成式傳感器系列。
通過移動手持讀取器掃描并非從無源傳感器收集數據的唯一方式。固定式讀取器可放置在適當位置，以便從穿過其有效范圍的傳感器上采集數據。這樣可以支持準確檢測工業設備，以便進行維護。多個傳感器可以放置在預先確定的位置，如電機或軸承座、電子電源模塊，并定期掃描。如果沒有傳感器標簽，此類分析可能需要使用紅外溫度計等設備進行手動測量。而手動搜索則會造成被測表面的位置稍稍不同或者時間間隔稍稍不同，這樣就會導致結果不準確。固定式讀取器和永久連接的傳感器可以消除這些誤差，并且采集的數據可以輕松轉送到主機或云端進行分析。
總結
物聯網應用中普遍的極端功率限制正推動創新型解決方案以及新型設備的出現。利用現有 RFID 技術的智能無源傳感器可以長期部署，無需電池或維護，并且僅在需要測量時通電。除了無電池的簡便性外，在廣泛的應用中，它們還具有諸多優勢，如更高的安全性、可重復性和用戶舒適度。
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