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传感器知识

据麦姆斯咨询报道,利用ZEPOWEL 灯塔计划,Fraunhofer-Gesellschaft (弗劳恩霍夫应用研究促进协会)旨在开发超高能效的模块化硬件,作为物联网全面应用的基础,尽可能地延长物联网节点续航能力。

弗劳恩霍夫创新模块化智能硬件,解决物联网传感器供能问题

根据国际能源署在2013年的一项研究,全球所有联网设备的能耗需求,大约相当于整个德国的电力需求。而未来五年内,随着互联物联网设备的显著增长,全球这一需求将翻一番,达到1140兆瓦/年。为此,非常有必要提高传感器的能效。

目前,产业界和科研领域还没有针对每一种应用提出完整的解决方案,单个独立的物联网硬件已经很成熟,只是它们的能效有高有低。Fraunhofer-Gesellschaft希望通过“迈向0功耗的电子产品”(ZEPOWEL)灯塔计划来改变这一现状。Fraunhofer-Gesellschaft计划开发一款硬件解决方案,功能全面且能效超高,并最终实现完全的自给自足。

为了实现这一目标,首先,传感器节点本身需要大幅降低能耗,然后实现系统层面的节能。这意味着系统之间的通讯也需要降低能耗。

“我们希望为完整的物联网应用开发一款技术平台,” 该计划团队成员,Fraunhofer可靠性和微集成研究所的Erik Jung解释说。ZEPOWEL灯塔计划正在开发多项新技术,例如一款超低功耗唤醒接收器,可以使传感器节点无需持续发送数据,仅在达到某阈值或在外部有效请求时才会被“唤醒”。

ZEPOWEL灯塔计划开发的这款模组,能效预计将比现有标准的无线电解决方案高1000倍。其接收器仅会响应与其实际相关的已授权且密码保护的信号。这样,该传感器节点就能一直保持功耗最低的待机模式,通过唤醒接收器在需要时立即激活。

此外,ZEPOWEL灯塔计划还将开发一款创新的传感器:一款结合微泵的空气质量传感器。微泵将作为“测量放大器”,大幅提高被测量空气的“样本量”。如果开发成功,那空气质量传感器可以无需很高的固有灵敏度,同时还能提供更高的传感精度。目前的空气质量传感器每秒能够提供5000次测量数据,功耗1250毫瓦,而ZEPOWEL灯塔计划开发的这款传感器预计能够提供10000次测量数据,同时功耗低于10毫瓦。

这款传感器样品旨在用于城市颗粒物的测量。过去的颗粒物测量往往非常耗时,因此仅有少数的传感器节点可以进行同时测量,而这种新的传感器技术可以实现更高的节点密度和更精确的测量。智能传感器节点网络和通用云平台的互联,可以用于打造城市微细颗粒物排放的完整测量模型。其应用前景广阔,例如,基于该技术的交通控制,以及可以自适应调整路线的导航系统等。

ZEPOWEL灯塔计划还包括一款宽带能量收集器,能够收集环境中的能量。这款能量收集器的效率可以达到当前最先进技术的四倍,从环境中收集100毫瓦的能量,仅需目前技术四分之一的面积,亦即5 x 5 mm。从环境中收集的能量将被存储于一款新开发的薄膜电池中,而薄膜电池将直接集成在硬件芯片上。Fraunhofer的研究人员称,这种完整集成的电池方案、收集器和能量转换器将是全球独一无二的。

针对所有应用开发的模块化套件

ZEPOWEL灯塔计划的定位不仅在于开发某一种特定应用的传感器节点,而在于基于即插即用原则的模块化方案。

“我们为许多应用提供模组:这是一种即插即用型的系统,就像乐高积木。即插即用,点击即可运行,” Erik Jung解释说。该平台可以将Fraunhofer开发的独立创新技术,根据需求组合在一起。尽管业界已经为每种物联网应用开发了特定的硬件解决方案,但Fraunhofer的ZEPOWEL灯塔计划正在开发一种更通用的物联网硬件。

Fraunhofer微系统和固态技术研究所(EMFT)在该项目中贡献了以量产为导向的微制造技术、创新的传感器解决方案以及微量专有技术。在项目中,研究所将开发一种高度集成的重力测量CMOS颗粒物传感器,包含低噪声模拟信号处理、多通道高性能模数转换器以及相应的数字信号处理。该系统将匹配一款微执行器,实现介质的按需传输。这款执行器、驱动电路和传感器将作为物联网节点中的系统级封装(SIP)实现模块化。

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