功效折衷是无线传感器技术应用成功的关键

作者：惠普实验室 Peter Hartwell

欢迎访问e展厅 展厅 6 数据采集/无线通讯展厅 通讯卡, 数据采集卡, 无线通讯模块, 远程监控系统, RFID, 信号隔离器, 转换器... 随着基于无线传感器节点的应用不断增多，由于有限的可用功率所导致的折衷方案开始受到重视。在电池设计或清洁能源取得有效突破之前，设计人员为了满足功耗和使用寿命预算，必须对采样率、信号分辨率和滤波、数据存储和发送甚至检测的内容进行明确选择。对于无线传感器节点应用而言，关键在于获得更多的电能，或者更加智能地使用电能；在传感器性能和功耗之间总是存在折衷。 一些应用，比如桥梁的结构健康监视，可以采用较大的传感器节点，电池尺寸可以相应做大，以便达到5至10年的使用寿命。其它应用则要求较小的外形尺寸。针对传感应用设计的智能电源是实现更小、更便宜的无线传感器节点的关键。 为了最大限度提高功效，需要专注于检测的时间和内容。识别必须要测量的特定数据，并围绕这些准则配置电源参数。策略性地数据捕获将允许传感器节点只记录需要的数据。尽量避免记录并发送大量无用的数据。 至于何时进行检测，有多种方案可供选择，具体取决于应用本身。本地步哨传感器(sentry sensor)——每个节点中的低功耗、低性能传感器——可以在预定的阈值内观察信号。步哨传感器可以触发高性能、高分辨率传感器，记录分析以捕获目标事件，在任务完成后将系统重新置回睡眠状态。然后，本地步哨传感器随即将信号返回到信号观察模式，直到下一个事件发生。这样就允许无线传感器节点系统在节能的同时保持其测量与分析覆盖率。 低功耗方案 许多供应商已经发布了适合执行步哨任务的微型低功耗传感器。传感器融合是将许多传感器变量整合进一个无线节点来实现冗余，因为有时需要不同功耗/性能等级的加速度计在同一轴中进行测量。 另外一种低功耗方案是使用处于简单阈值模式的高性能传感器。基于电容的加速度计可以与单个运放电荷检测器一起使用。传感器节点的运动将使电荷积累到一定阈值，然后自动触发高性能电子设备启动并以全分辨率捕获。一旦事件完成后，延时电子设备可以使节点返回到睡眠模式。 最后，远程步哨机制可以在不显著降低性能的前提下实现节能。在这种“团队”方法中，传感器节点轮流运行在满功率模式下运作。当领头节点运行时，其它节点就处于睡眠模式，但以特定间隔检查告警信号。当发生告警时，所有节点将被唤醒，并以满分辨率捕获数据，然后再恢复到睡眠模式，从而达到节能的目的。 在所有上述这些方案中，快速系统唤醒响应时间是电子设计的一个主要部分，特别是对于那些要求高性能、低功耗和长寿命的应用。从开启到再次开启(ToT)的过程中，校准过的传感器偏移和比例因子的稳定性成为长时间内确保数据精度的关键。ToT稳定性要求对传感器、封装和系统设计备加关注。 更加智能的传感器应用 目前许多传感应用不要求全天候进行高分辨率测量和分析。例如，监视结构健康状况的时间间隔通常很长；人工检查桥梁的间隔时间是一至两年。而采用无线传感器网络代替人工检查并不需要每毫秒都提供数据更新。 针对这些参数，设计人员可以调整到更加合理的时间间隔——1小时1次，1天1次，1周1次——并增加一种步哨方法来延长系统的电池寿命，同时捕获必要的数据以警示重大的意外事件，例如地震或撞船。 另外一个节能环节是决定哪些数据最重要，并需要捕获和发送。在开始时就仔细设计可以让节点提供少量但高分辨率的数据捕获，降低创建良好信息所需的性能和功耗等级。可用于优化的两个候选对象是本地分析和定性检测。 确定数据处理方案可能是极具挑战性的工作。例如，在无人看守的地面传感器应用中(这种装置可用于周边安全监视或只是简单地计算经过的车辆)，需要记录全部信号、花费功率存储数据、并将数据发送给云进行分析吗？或者执行本地滤波和分析、并发送“……汽车、汽车、卡车、自行车……”这类信号给云而不是发送很多个“零”？ 在云案例中，存储资源和增加的处理功率，以及关联来自多个传感器的结果将需要更深的理解，并存档潜在事件以供长期研究。然而，我们不应忽视“每个传感器节点是一个内核”这个事实。 在分布式系统中进行数据预处理可以降低在云中发送和计算的功耗。云中可用的内核数量虽然更加巨大，但很可能远小于大规模无线传感器应用的数量。理解延时和数据使用可以帮助你从传感器网络部署中获得最长的电池使用时间。 分辨率要求 优化传感器功耗的最后一个领域是判断真正需要的分辨率水平。在传感器性能和功耗之间总是存在折衷。然而在许多情况下，测量正在发生的事件要比没有觉察更有价值，即使数据是定性的。虽然我们都希望检测节点中尽可能多的变量——只要它不影响成本、尺寸和功耗预算——但通往真正全功能无线传感器节点的路径可能存在于传感器性能的现实要求中。 即使是使用低性能传感器，低成本也能实现部署的冗余化。更多数量的传感器可提高数据质量。由于邻近传感器都应提供相似的读数，如果分析判断数据没有意义，那么反常数据点可以当作故障而被丢弃。这将显著减少系统中的假阳性，提高操作的可靠性。例如，你可以使用GPS标签监视食品运输。 定性检测方法为增加环境传感器组合而不影响标签的功耗和成本开启了大门。智能检测允许传感器节点提供高分辨率结果，同时最大限度地延长电池寿命，更好地观察测量内容，并帮助用户根据了解到的知识作出实时决策。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/2/2011)