無線溫度傳感器的發(fā)展未來
EeH廣州南創(chuàng)電子科技有限公司
最近我們在討論我們家里的溫度調(diào)節(jié)器是如何控制的。這個(gè)命題促使我找到一個(gè)能夠定位溫控傳感器的解決方案。實(shí)際上，許多無線溫度調(diào)節(jié)器可以放置在傳感器可能存在的任何地方。
這些傳感器系統(tǒng)有一個(gè)共同點(diǎn)：電池(通常兩節(jié)AA電池)。同時(shí)要求有較高的電容容量，如3000mAh，并且具備鋰內(nèi)核。在被替換前，這些電池的使用時(shí)限應(yīng)該超過1年。所以，如果要替換所有傳感器中的一年期電池的話，我可以開出一張很長的列表，如煙霧警報(bào)器、一氧化碳探測器、玻璃防爆監(jiān)控器和遠(yuǎn)程控制器等。
當(dāng)一個(gè)器件用到這種尺寸的電池時(shí)，對于制造商來說似乎需要借機(jī)增添其他特性，包括顯示器、按鈕等等。隨著這些特性會在一定程度上增加使用的方便性，但是實(shí)際上卻限制了器件應(yīng)用領(lǐng)域。我也曾經(jīng)尋找過尺寸接近圖釘大小的物品，甚至尺寸只有25美分硬幣大小的物品。我希望能夠找到一種墻上溫度調(diào)節(jié)器的替代方案，采用一種小到可以被忽略的遙控式無線溫度傳感器來替代傳統(tǒng)尺寸的傳感器?？上н\(yùn)氣并沒有那么好。
當(dāng)你在市場上找不到一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，通常有其合理性。有可能是因?yàn)楫?dāng)前的科技水平還沒有達(dá)到需要的程度，或者更有可能是因?yàn)檫€沒有人想到要去開發(fā)這一產(chǎn)品。目前，在小型智能傳感器方面有很多減小其體積的研發(fā)成果，但是并不是我屋子里的所有人都希望這些傳感器比現(xiàn)在更小更智能。因此，我為什么不能找到一個(gè)簡化的小型無線溫度傳感器與傳統(tǒng)的恒溫調(diào)節(jié)器相連呢？
如何將一個(gè)無線傳感器與一個(gè)恒溫調(diào)節(jié)器相連接呢？現(xiàn)在一些器件已經(jīng)可以每秒發(fā)送一個(gè)藍(lán)牙低能量數(shù)據(jù)包(BTLE)，這大約需要在一秒的時(shí)間周期內(nèi)消耗25微安的功率。如果你將這一時(shí)間周期增加到15秒，那么此時(shí)的平均電流會比4微安還小。所以，如果以15秒為一個(gè)周期來觸發(fā)控制室溫傳感器將是一個(gè)合理的選擇。
除了在15秒內(nèi)傳感器工作所消耗的平均電流外，啟動傳感器并且對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理運(yùn)算僅會略微增加額外的功耗。通常來說，這些額外功能的平均功耗小于2微安。所以總的來說，整個(gè)傳感器消耗的功耗約為6微安。因此，對于一個(gè)3.0伏的輸入電壓來說，我們需要18微瓦的輸入功耗。
圖1所示為通常辦公室熒光照片條件下不同類型的光電單元的最大功耗情況。光照強(qiáng)度以光強(qiáng)為測量單位，并且分別對每個(gè)單位面積來測量光照強(qiáng)度，一個(gè)光照強(qiáng)度大小對應(yīng)每平方米一個(gè)流明單位。舉個(gè)例子，一個(gè)普通辦工作表面的光照強(qiáng)度為500光強(qiáng)，也就是說每平方厘米的光強(qiáng)為12到14微瓦。然而，天花板和墻壁的光照強(qiáng)度都非常小，一般來說只有200光強(qiáng)。所以在這種情況下，每平方厘米的最大光強(qiáng)約為5到7微瓦。這些室內(nèi)的光照水平預(yù)計(jì)將在未來的幾年中不斷改善，到2015年可能會達(dá)到每平方厘米20微瓦。
考慮到室內(nèi)燈光并不是總是開著的，對于18微瓦對應(yīng)的總面積來說，我們需要多達(dá)10平方厘米的光強(qiáng)單元。在這種情況下，我假設(shè)室內(nèi)燈光在一天的25%時(shí)間內(nèi)打開。這比我們的那些尺寸只有25美分硬幣大小的無線傳感器來說要大許多，此時(shí)的傳感器大小為4.6平方厘米。我們總是能將傳感器的刷新時(shí)間減少至30秒。當(dāng)光線強(qiáng)度降低到非常低的水平時(shí)，例如小于50光強(qiáng)時(shí)，感光單元的功率將會非常小。因此，我們不能基于非常弱的光線來幫我們產(chǎn)生太多的能量。
當(dāng)使用再生能量為我們的無線溫度傳感器供電時(shí)，我們需要解決儲能問題。當(dāng)把功率轉(zhuǎn)換和儲能管理結(jié)合起來考慮的時(shí)候，一種集成的解決方式通常是最佳的。現(xiàn)在已經(jīng)存在幾種集成電路解決方案。其中，關(guān)鍵的參數(shù)是啟動電壓、靜態(tài)電流和能量效率。這些器件通常還具有其他功能，如低儲能警示，甚至能夠在不同的儲能設(shè)備之間自動切換。
如果我們用CR2032代替再生能量技術(shù)，會發(fā)生什么情況呢？當(dāng)放電至2.8伏時(shí)，電容在20攝氏度、18微瓦放電情況下的蓄能能力為170mAh。為了充分使用這種電容，需要一種自舉整流器來提供3伏的輸出電壓。通常mWh的儲能能力對應(yīng)490wWh。對應(yīng)18微瓦的平均功耗來說，一個(gè)鈕扣電池能夠?yàn)闊o線溫度傳感器供電長達(dá)三年之久。在這種情況下，采用再生能量技術(shù)可能并沒有優(yōu)勢，而且每三年更換一次電池也不是一件容易的事情。
所以，為什么我無法找到一種尺寸只有一個(gè)25美分硬幣的無線溫度傳感器呢？我實(shí)際上也無法給出答案?？赡苁袌鋈耸繒f只有我是這種傳感器的唯一消費(fèi)者。也可能這些系統(tǒng)通常必須具備顯示器，因此這種鈕扣電池?zé)o法為這套系統(tǒng)提供足夠長的供電時(shí)間。如果考慮到百分之十的轉(zhuǎn)換損耗和300納安的靜態(tài)電流，我將不得不每隔兩年半更換一次電池。
如果一個(gè)可以與貼在墻上的恒溫調(diào)節(jié)器連接的、并且會不斷發(fā)聲的無線溫度傳感器，其尺寸只有兩個(gè)疊在一起的25美分硬幣那么大，你會是什么想法呢。也許這是最適合我們家房間的最佳解決方案吧！
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