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未来智能家居最有发展前景的电子元器件有哪些?

在不久的将来,最有发展前景的电子元件之一是无线传感器网络(WSN)——的应用和部署,也就是说,该网络由几十到几万个小传感器组成,在中央系统内执行测量、的计算和无线通信。单个传感器或节点将以极低的功耗运行,收集其周围的能量以支持运行,因此它们的安装将不再需要昂贵的布线基础设施,并且将在无需维护的情况下继续运行数年。这些小而便宜的系统被授予“粘贴可用”传感器的称号。从这个标题中,我们可以看到这种传感器的安装是多么简单。包括数十个、、数百个、甚至数万个这样的节点的WSN将进行多点感测,这已经是非常昂贵的、更加价格友好的并且实现动态控制以降低成本和扩展功能。让我们举个例子。像食品仓库这样的大型建筑将会有几十个无线恒温器来监控温度和湿度。所有这些恒温器将向中央系统报告这一信息。中央系统调节空气流量和制冷,以保持一致的环境条件,最大限度地减少食物腐败。这些传感器可以放置在不同寻常的位置,如货架下的、、垃圾箱底部的、,甚至是食物上,使用户能够更准确地了解环境条件的变化。
 
1智能电网:分布式智能的领先应用分布式传感最重要的应用之一是在电力行业。业界一直在寻找一种新的方法来测量和显示整个电网内的功率流,以实现高效的、可靠服务。可以预测,通过改善基础设施维护和更好地了解消费模式,向智能电网(通常称为“智能电网”)的持续发展不仅可以提高输电质量,而且有助于将成本控制在可控范围内。事实上,每一个发电和输电阶段都可以受益于这种远程传感器,包括电力公司到大功率输电和变电站,从街道输电线路和变压器到接入点、工厂和住宅中的办公楼。这些位置的传感器可以检测使用习惯并将其报告给中央系统,从而使智能电网能够微调自身以满足这些需求,同时避免可能导致断电和缩短设备使用寿命的过载情况。电网智能对于分布式电源的集成也至关重要,例如太阳能阵列、风电场和地热发电厂。在以前非智能设备之间提供通信的技术进步催生了“智能家庭”和“智能工厂”以及无所不包的“物联网”。这些形式的分布式智能将带来新类型的应用程序,以实现更大的便利性和提高生产力,无论是外围应用程序还是主要应用程序领域。无线节点将只负责智能电网中的一些分布式智能,因为许多传感器将使用有线数据网络或电力线本身作为物理网络介质。然而,在一个重要方面,电力公司已经率先将无线技术应用于测量通信。多年来,公共事业已经开始用可以无线读取的数字仪器取代传统的机电仪器。无论如何,无线公用事业电表节省了抄表员每月检查电表的费用。现在抄表员可以在很短的时间内获得抄表数而不用停留,并且通常不需要进入该场所的内部。更复杂的仪器通常在更广的范围内通信,因为它们收集和发送的数据可以帮助公共事业预测需求模式,更有效地提供服务。
 
2、超低功耗是WSN的关键。德州仪器在开发能够实现无线仪表的集成电路技术方面发挥了关键作用,德州仪器客户是这些设备的重要供应商。作为低功耗模拟和混合信号行业的领导者,TI在设计、以制造可用于便携式产品、工业和汽车控制系统等功率敏感应用的集成电路产品方面拥有悠久的历史。今天,同样的技术曾经为无线公用事业仪表开发出现在最新一代的组件中,它们消耗更少的能量,使它们非常适合为无线网络产生传感节点。WSN使用这些解决方案将有助于将智能引入住宅、、办公室、、工厂、、农场、、娱乐、和自然环境-我们希望收集数据来帮助我们了解和控制任何地方的环境条件。设计远程无线传感器的设计人员必须在大量系统需求中做出适当的权衡,包括、尺寸的成本和可靠的组件电源,以及设计支持工具和软件库。还应该注意的是,远程传感器节点的一个基本考虑是超低功耗(ULP)组件的可用性。如果没有ULP微控制器、存储器、传感器、收发器和其他系统功能,远程无线传感器无法以低成本实现。能够从光源、的振动或热量中收集和存储环境能量的技术对于这些设备及其构成的WSN的成功也是至关重要的。任何测量系统的核心都是微控制器单元(MCU),它执行计算并控制系统。为了省电,无线传感器节点需要ULP微控制器长时间睡眠——通常超过99%的时间。激活周期包括快速唤醒、,以有效执行测量、通信和控制功能、,然后返回睡眠状态。由于传感器可能有大量的应用,为了实现灵活性,单片机必须具备足够的外设功能,并且在不使用时仍能关闭外设,从而达到省电的目的。同样,必须编写微控制器软件,以最大限度地减少计算量,并利用设备固有的任何节能功能。与微控制器类似,所有其他系统组件在执行任务时必须设计为仅消耗极少量的功率。存储器必须有足够的空间来保存程序和数据,并且足够快,以便在微控制器被唤醒时支持一个短的活动周期。然而,存储器还必须设计成支持有效的读写,并在睡眠期间保持存储数据的同时实现最小功耗。数据转换器必须足够快以支持系统的输入和输出,但功耗不得大于执行此任务所需的功耗。ULP发射机必须快速激活和关闭,在唤醒周期内发送和接收大量突发数据,能够在足够宽的范围内传输以满足网络需求,并且可以支持不同的传输格式以实现灵活性。根据不同的网络要求,节点可能需要接收数据,这在节能方面需要稍微不同的考虑。
 
3、面向无线传感器节点的3TI ULP产品现已上市。在无线传感器节点中,合肥SMT电源子系统的设计非常重要。就能量而言,无论是太阳能电池板、热能或压电传感器,还是其他设备,它们都必须由电路支撑。这些电路的设计目的是最大限度地收集能量,而不考虑周围环境的变化。能量储存在可充电电池或超级电容器中,或者两者都有。为了优化电源,需要对这些设备进行仔细管理,以便在必要时为设备供电。感测热量、、电流、、化学物质或其他环境条件的元件必须具有足够的灵敏度以达到精确的程度,而不是过度功耗。当选择这些组件来平衡功能和低功耗之间的关系时,传感器节点应该能够自主运行几年。基于在为各种应用设计集成电路产品方面积累的专业知识,TI可以提供满足无线传感器节点功率要求的解决方案。这些解决方案中的许多都是无线功率计的扩展,因此这项技术已经在实际应用中得到广泛测试。将二者结合在一起,德州仪器的超大规模集成电路产品提供了一个完整的系统,并提供了强大的支持,从而使设计人员能够为各种WSN应用创建无线传感器节点。
 
4、金刚狼 (Wolverine)MSP430 MCU TI无线感测解决方案的核心是“Wolverine”MSP430微操控器。借助于专门规划用于ULP的架构,相关于之前的器材,Wolverine MCU的整体功耗削减了50%。此类MCU根据130纳米 (nm) 超低走漏工艺技能,然后削减了激活和静态功率,而针对器材的整个规划库被重新规划,以充分利用这些节点特性。库中的高成效元件包含模拟组件以及数字组件,这样的话,MCU集成了比如12位高精度模数转化器 (ADC) 的外设,此类外设可以在流耗只有75mA的一起,每秒钟采样200000次;以及运转流耗仅有100纳安 (nA),具有日历和闹铃功用的实时时钟 (RTC)。 Wolverine的片上电源办理技能包含对7种作业形式的支持,高档电源选通,以及高度响应自适应稳压器。按照使用的特定要求,MCU被分为多个电源域,以完成器材内每个部件的动态办理。MSP430架构所长时间具有的这个特性比以前愈加精细,扩展到更大功用块内的单个模块。为了在体系每次从待机切换到激活形式时最大限度地削减功率损耗,此器材运用其电源选通操控器将请求时钟的模块保持在激活状态,一起将空闲模块放置在保持形式。此外,经过主动适应负载的改变,比如说在高频模块加电时,智能电源办理免除了关于外部缓冲电容器的需求。所有这些节点特性无需开发人员干涉,以无缝方法主动完成电源办理。 
 
5、快速、低功耗FRAM Wolverine MSP430架构在铁电随机存储器 (FRAM) 集成方面也有重要意义。FRAM在结构方面与DRAM相类似,不同的是数据以晶态存储,而不是以电荷状态存储。因而,FRAM具有与DRAM相似的读取/写入拜访和周期时间,并且相对细巧。但是,与DRAM不同的是,FRAM对错易失性的,并且可以在体系断电时,持续保存数据。相关于常常用于程序的非易失性闪存存储器,FRAM速度更快,能耗更低,并且写入的次数更多。因而,具有集成FRAM的MCU代表了ULP体系(比如无线传感器节点)在节电方面的重要技能进步。 闪存存储器的一个问题就是其写入所需求的相对较高的电压电平(10至15V),有必要运用电荷泵并且每次操作需求运用很多电能。此外,闪存存储器有必要在每次写入前被擦除,这也是添加写入操作复杂度,中断体系运转的一个要素,通常情况下,在体系其余部分等待时会浪费时间和电能。最终,闪存存储器具有大约10000的写入操作限制次数,这个次数限制关于那些每隔一秒钟到几秒钟就要对数据更新数次,并且需求天长日久不断进行此类操作的体系来说是不够的。虽然闪存常常用于程序存储,但这些要素使其不能用于数据存储,因而就有必要运用易失性SRAM块。体系断电时,有必要将数据从SRAM写入闪存来完成非易失性存储,而在加电时,从闪存读取相应数据到SRAM。 FRAM是一款真实的随机存储器,其中的每个位可被独自地读取或写入,并且其具有一个简略的、单步写入过程,无需独自的擦除操作。FRAM写入只需1.5V电压,这样就不需求电荷泵了,并且也不会在擦除现有数据时中断体系形成延迟。因而,FRAM写入拜访比闪存写入快100倍,而FRAM的激活写入所需能量比闪存少250倍。此外,对FRAM的写入实际上是无限的—大约1015个写入周期—这样的话,在运用存储器进行数据储存时不会有任何困难。程序和数据存储器可被统一为单个块,并且可以根据使用的需求进行分区。数据在断电期间保存在存储器中,然后使规划人员不但免除了关于外部电荷泵的需求,并且也就不再需求大型电容器为其供电了。关于比如无线传感器节点的能量收集体系,FRAM所具有的节电特性成为完成成功规划的要害。 6纳米级功率能量收集 无线传感器节点的成功规划将有必要从环境能源中收集能量。电源子体系将有必要优化太阳能、热电、电磁和振动源中发生的微瓦至毫瓦级功率,然后将提取的能量存储器在锂离子电池和超级电容器等元件中。TI的bq25504升压充电器专门规划用于这一级别的电源办理,它特有低静态电流和高转化功率。最大功率点盯梢 (MPPT) 优化了提取自DC收集器的能量,比如改变光照条件下的太阳能板,以及不同热条件下的热电发电机 (TEG)。所发生的成果将是革命性的:在小型太阳能供电体系中,相关于线性稳压器,此类器材的运用可以将可用收集能量添加30%,到达70%。这样高的功率使得规划人员可以从太阳能板和其它换能器中收集更多能量,然后以更低本钱完成愈加小型化的感测节点。 今日的无线公共事业仪表得益于TI在低功耗RF电路方面的专业知识,而同样的技能也使用于无线传感器节点中。例如TI的CC2500和CC2520器材,是低本钱2.4GHz收发器,规划用于极低功耗无线使用。此电路转为2400至2483.5MHz ISM(工业、科学和医疗)以及SRD(短程器材)频带而规划。RF收发器与高度可装备基带调制解调器,此调制解调器支持根据不同标准的调制格式。
 
 7WSN将使智能国际愈加智能 就像WSN可在大规模的环境中运转相同,针对体系输入的感测元件也各有不同。关于特定使用,TI技能可以大大削减感测元件的尺寸和功耗。例如,公司的TMP006红外MEMS温度传感器将功耗和尺寸削减了超越90%,然后使得厂商可以在受限区域内,比如设备外壳内,精确测量温度。TI还供给比如高集成LMP91050无色散红外气体传感器模拟前端 (AFE) 的传感器AFE,可以完成用来检测CO2和氟利昂等制冷剂的超细巧感测解决方案。TI在其它领域开宣布的感测技能,比如公司与汽车制造商联合开宣布的技能,也会被采用,以满足WSN的需求。 跟着智能电网的不断推广,随处可见的用电设备间的智能通讯将会充满其间:住宅、办公室、工厂,乃至在户外。此类设备和它们的网络监督外部条件并把其报告给中央体系的无线传感器网络,然后将本身的规模不断扩展,然后完成对非常广大的区域的操控。 这些WSN的完成依赖于廉价、超低功耗组件的供货情况,这些组件可以收集环境能量、感测本地条件、执行必要的测量功用,并且定时经过无线传输来发布信息。根据在无线公共事业仪表和其它使用方面堆集的经历,TI已经开宣布这项技能,并且现在可以供给可以为多种使用完成“粘贴可用”传感器节点的产品。在一定程度上,由于TI的这项技能,智能网络正在扩展现在智能国际的覆盖规模。

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