【導(dǎo)讀】智能無源傳感器為無處不在的感測帶來了新的選擇， 可以監(jiān)測壓力、溫度、濕度或距離，消除了體積、功耗和成本等傳統(tǒng)的智能傳感器考慮的問題。設(shè)備設(shè)計人員現(xiàn)在可以將智能系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)擴展到過去難以接近的區(qū)域和應(yīng)用中，而不受尺寸的限制或價格的制約。
對先進(jìn)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的日益依賴，推動了對傳感器的需求，這些傳感器可方便地從少量到大量部署，并且提供低擴展成本和免維護(hù)。
技術(shù)的進(jìn)步使許多不同類型設(shè)備之間的互聯(lián)成為可能。始于智能手機的互聯(lián)已經(jīng)演變成溫控器、家電、車輛和其它被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)由通過各種接口來回傳輸數(shù)據(jù)的許多設(shè)備組成，無線云接口是最常見的接口。隨著互連設(shè)備數(shù)量不斷增長，對更多數(shù)據(jù)的需求也隨之增長。
產(chǎn)生數(shù)據(jù)的來源很多，電子傳感器通常用于收集互聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)。傳感器是一種將物理或環(huán)境特性如溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號的器件。
對數(shù)據(jù)的需求推動了不同類型傳感器市場的增長，如為系統(tǒng)提供工作所需數(shù)據(jù)的溫度、濕度、壓力和距離傳感器。由于物聯(lián)網(wǎng)以前所未有的動能處理來自不同渠道的的數(shù)據(jù)，電子傳感器將更加普及。據(jù) Markets and Markets研究，全球傳感器市場預(yù)計將在2022年超過380億美元。從更多地點獲取更多傳感器數(shù)據(jù)的需求將推動新型傳感器的開發(fā)，這些傳感器體積更小、功耗和成本更低，并且易于大量和在狹小空間部署。
電子傳感器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的電子傳感器無論設(shè)計怎樣，都包含相同的功能模塊。傳感器的核心模塊是實際的感測元件。感測元件是傳感器的一部分，它對傳感器環(huán)境作出響應(yīng)，并將環(huán)境條件轉(zhuǎn)換為電參數(shù)。除了感測元件，傳感器還需要電源用于傳感器內(nèi)部的電子元件和數(shù)據(jù)處理及互聯(lián)電路。大部分電子傳感器包括感測元件、電源模塊和位于每個感測節(jié)點的數(shù)據(jù)處理模塊。隨著需要更多的感測數(shù)據(jù)，擴展到多個感測節(jié)點所需的成本成為一些應(yīng)用的障礙。傳感器電源和通信模塊所需器件的物理尺寸限制了小尺寸傳感器的選用，而由電池供電的傳感器涉及維護(hù)和環(huán)境問題，這也限制了傳感器在某些應(yīng)用中的部署。傳統(tǒng)的電子傳感器的成本和尺寸限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展或進(jìn)行智能感測的多傳感器系統(tǒng)或一次性傳感器的部署，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。
所以需要一種替代方法，最理想的是不用依賴笨重又昂貴的電池、微控制單元(MCU)及相關(guān)電路。許多連接的傳感器大部分時間都處于待機或睡眠模式以延長電池使用時間，僅在被喚醒與主機系統(tǒng)交換小數(shù)據(jù)包期間，才需要電源和智能。如果傳感器可以暫時由外部電源供電，并且大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理都在外部完成，便可實現(xiàn)具性價比的傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展，并使多感測傳感器或一次性傳感器等創(chuàng)新在經(jīng)濟上可行。
有一種技術(shù)可以提供解決方案：無線無源傳感器已經(jīng)可由存儲器加載，通過無線閱讀器詢問或重寫，并由閱讀器傳輸?shù)腞F場中的能量激活。傳統(tǒng)的RFID通信標(biāo)準(zhǔn)已得到驗證，是穩(wěn)定可靠的，提供了將感測功能與傳統(tǒng)電子傳感器所需的電源和控制電路分開的、開發(fā)新的智能無源傳感器的強大平臺。
智能無源傳感器 智能無源傳感器可以更大地發(fā)揮RFID技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)所具的潛力，以支持便利和高能效的無線數(shù)據(jù)交換。圖1顯示了智能無源傳感器的關(guān)鍵功能元件，包括天線、刺激檢測器和傳感器塊控制IC，通過集成一個印制天線和刺激檢測回路及一個射頻IC來實現(xiàn)無源傳感器標(biāo)簽功能。
智能無源傳感器使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UHF Gen 2協(xié)議進(jìn)行通信，并且可以用合適的RFID閱讀器讀取。一些固定或手持式商用閱讀器已經(jīng)通過了標(biāo)簽和功能驗證。安森美半導(dǎo)體的智能無源傳感器生態(tài)系統(tǒng)提供了一種電池供電的便攜式閱讀器，內(nèi)置天線、圖形用戶接口和物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)功能，可作為收集傳感器標(biāo)簽數(shù)據(jù)的中樞。
當(dāng)閱讀器啟動通信時，自調(diào)節(jié)傳感器IC通過測量刺激回路中的阻抗變化來檢測濕度或壓力，并將這些數(shù)據(jù)以及來自片上溫度傳感器的數(shù)字化溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。傳感器監(jiān)測幾個參數(shù)，包括檢測距離、運動或存在的接收信號強度（RSSI）以及溫度和濕度。每個傳感器還有一個可編程的EPC代碼作為唯一的識別標(biāo)識。RFID前端自動補償環(huán)境變化，以感測濕度、壓力和其它參數(shù)。
圖1：智能無源傳感器將RFID技術(shù)與無源、無MCU的先進(jìn)感測塊結(jié)合起來。
典型應(yīng)用
低成本或一次性無源傳感器可使大量重要的應(yīng)用受益。例如，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機架內(nèi)或工業(yè)電源開關(guān)內(nèi)高功率斷路器連接處多個位置的溫度，可以監(jiān)控溫度變化趨勢，快速檢測異常升高的溫度，以便進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)或采取糾正措施。智能無源傳感器直接連接到金屬外殼、器件封裝或散熱片等部件，可對所有傳感器射頻范圍內(nèi)的閱讀器發(fā)出的周期性詢問作出響應(yīng)。
圖2所示的監(jiān)控策略基于智能無源傳感器和連接到云的RFID閱讀器/收發(fā)器，可以提供比人工測溫或熱成像等其它方法更即時、更具性價比的保護(hù)設(shè)備的方法。
圖2：多個智能無源傳感器可以高性價比地監(jiān)測幾個地點的溫度。
無源智能傳感器標(biāo)簽也適用于數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如在牲畜監(jiān)測應(yīng)用中可以檢查牲畜疾病或驗證牲畜排卵周期。農(nóng)民還使用RFID標(biāo)簽進(jìn)行動物識別和跟蹤，可注射標(biāo)簽的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立。通過在設(shè)備或系統(tǒng)方面增加投資，智能無源傳感器幫助進(jìn)一步改善動物健康、提高養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)量。
同樣，使用智能無源傳感器進(jìn)行濕度或壓力檢測已在醫(yī)療、工業(yè)測試以及汽車舒適性和安全性等方面得到應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，濕度傳感器可以不顯眼地附著在醫(yī)院床單上來檢測病人的入住率和床位余量，非侵入式溫度傳感器可以連接到病人的皮膚（圖3），并使用附近的閱讀器無線監(jiān)測。
圖3：無線體溫傳感器標(biāo)簽快速啟用，舒適又方便。
更多的應(yīng)用包括汽車行業(yè)中的漏水測試：在漏水測試開始前將一組智能無源傳感器快速、高效地安裝在汽車中，免除了費力的人工探測，同時簡化了數(shù)據(jù)收集和分析。
此外，檢測汽車安全帶狀態(tài)的濕度和壓力感測及額外的距離感測，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)的座椅內(nèi)有線或氣囊系統(tǒng)更智能的汽車占位檢測。智能無源傳感器能區(qū)分人體和置于座椅上的物體，只需很少的額外成本，就可很容易地將感測擴展到后排乘客座椅和可移動座椅。
從家庭自動化和互聯(lián)汽車到工業(yè)控制、質(zhì)量檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、建筑、供應(yīng)鏈管理等眾多應(yīng)用中，智能無源傳感器標(biāo)簽還可完成許多其它的漏水檢測、占位感測和溫度或濕度水平監(jiān)測。
總結(jié)
智能無源傳感器為無處不在的感測帶來了新的選擇，可以監(jiān)測壓力、溫度、濕度或距離，消除了體積、功耗和成本等傳統(tǒng)的智能傳感器考慮的問題。設(shè)備設(shè)計人員現(xiàn)在可以將智能系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)擴展到過去難以接近的區(qū)域和應(yīng)用中，而不受尺寸的限制或價格的制約。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。作者：Greg Rice，安森美半導(dǎo)體公司
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