對先進技術和物聯網(IoT)的日益依賴,推動了對感測器的需求,這些感測器從少量到大量的部署均很容易,並且提供低擴展成本和免維護的特性。

連接裝置與感測的擴展

技術進步使許多不同類型裝置之間的連接成為可能。能上網的智慧型手機已經演化成溫控器、家電、車輛和其他被稱為物聯網(IoT)裝置的網路。物聯網是藉由各種介面來回傳輸數據的許多裝置所組成,無線雲端介面是最常見的介面。隨著連接裝置數量不斷增長,對更多數據的需求也隨之增長。

數據有多個產生來源,電子感測器通常用於收集連接裝置的數據。感測器是一種將物理或環境特性,像是溫度和濕度,轉換成電子訊號的元件。

對數據的需求推動了許多類型感測器市場,像是為系統提供數據的溫度、濕度、壓力和距離感測器。由於物聯網帶來了前所未有的動能以處理大量管道收集而得的數據,電子感測器將更加普及。據Markets and Markets研究,全球感測器市場預計將在2022年前超過380億美元。從更多地點獲取更多感測器數據的努力也將推動新型感測器開發,這些感測器體積更小、功耗更低、成本更低,並且容易大量佈署,以及在狹小空間部署。

電子感測器結構

傳統的電子感測器包括相同的功能模組,不管感測器的特定設計如何。一個感測器的核心模組是實際的感測元件,感測元件是感測器的一部分,實際上對感測器環境作出回應,並將環境條件轉換為電子參數。除了感測元件,感測器還需要電源用於感測器內部的電子元件、數據處理及連接電路。大部分的電子感測器包括感測元件、電源模組,以及在每個感測節點的數據處理模組。

隨著對感測數據的需求增加,擴展到多個感測節點的成本成為一些應用的成本障礙,感測器電源和通訊模組元件的物理尺寸限制了小尺寸感測器的選擇,而電池供電感測器的維護和環境問題也限制了感測器在某些應用的部署。正當智慧感測與物聯網進一步在我們生活的世界擴展,傳統電子感測器的成本和尺寸卻成為感測器網路擴展、多感測器系統部建、拋棄式感測器的障礙。

所以需要一種替代方法,最理想的是不用依賴於笨重昂貴的電池、微控制器(MCU)及相關電路。我們發現許多連接感測器大部分時間都處於待機或睡眠模式中,利於延長電池使用時間,只在感測器被喚醒與主機系統交換小的數據封包的短短時間和頻率不高的期間,才需要電源和智慧功能。如果感測器可以暫時從外部電源供電,並且在外部處理大部分數據,便有利於具成本效益的感測器網路擴展,而多感測或拋棄式感測器等創新也具有經濟上的可行性。

有一種技術可以提供一個方案:無線被動感測器已可藉由無線讀取器加載記憶體、收發或重寫,並由讀取器傳輸的RF場能量啟動。傳統的RFID通訊標準證實可靠,並提供強而有力的平台,能開發一種新的智慧被動感測器,將感測功能與傳統電子感測器所需的電源和控制電路分開。

智慧被動感測器

智慧被動感測器可以釋放更多RFID技術潛能與標準,便於支援、高能效的無線數據交換。其整合一個印刷式天線、刺激檢測回路及一個射頻IC實現被動感測器標籤的功能,圖1顯示了智慧被動感測器的關鍵功能元件,包括天線、刺激檢測器和感測塊控制IC。

20171024TA01P1 圖1 智慧被動感測器結合了RFID技術及先進的被動、無MCU的感測塊。

智慧被動感測器使用產業標準UHF 2協定通訊,可以使用合適的RFID讀取器讀取。一些採用固定形式或手持的現有商用讀取器,已經通過標籤和功能驗證。安森美半導體的智慧被動感測器生態系統提供了一種用可攜式電池供電的讀取器,內建天線、圖形用戶介面和物聯網連結,可作為收集感測器標籤的數據中樞。

讀取器啟動通訊時,智慧感測器IC經由測量刺激回路的阻抗變化來檢測濕度或壓力,並將這些數據,以及片上溫度感測上的數位溫度數據發送給讀取器。感測器監測幾個參數,包括檢測距離、運動或接收訊號強度(RSSI)、溫度和濕度。每個感測器還具有一個可編程的EPC代碼用作獨一無二的識別,且RFID前端自動補償環境的變化,以感測濕度、壓力和其他參數。

典型應用

大量重要的應用可受益於低成本或拋棄式被動感測器的可用性。例如,監測數據中心伺服器機架內或工業電源開關內,高功率斷路器連接處的多個位置的溫度,可以監控溫度變化趨勢,以及快速檢測可能預示需要預防性維護或糾正措施的異常高溫跡象。直接連接到金屬外殼、元件封裝、散熱片等零件的智慧被動感測器,能接收所有感測器射頻範圍內讀取器的週期性讀取訊號。

圖2為一個基於智慧被動感測器和連接到雲端的RFID讀取器/收發器的監控策略。這比人工測溫或熱成像等方法更即時、更具成本效益的保護設備。

20171024TA01P2 圖2 多個智慧被動感測器可以具成本效益的方式監測幾個地點的溫度。

被動智慧感測器標籤也適用於數位農業應用,如檢查疾病或驗證排卵週期的牲畜監測。農民成功使用RFID標籤在簡單用途,例如動物識別和追蹤,可注射標籤的產業標準已經確立。智慧被動感測器現提供進一步改善動物健康和增加養殖業產量的機會,增量投資於裝置或系統。

同樣,使用智慧被動感測器的濕度或壓力檢測已應用在醫療、工業測試、汽車舒適性和安全性等場景中。例如醫療領域,濕度感測器可以自然的裝設在醫院床單,檢測病人入住率和床位餘量,非侵入式的溫度感測器可以連接到病人的皮膚(圖3),使用附近的讀取器無線監測。

20171024TA01P3 圖3 無線體溫感測器標籤快速啟用,舒適又方便。

汽車行業中的漏水測試也是眾多應用之一:一系列智慧被動感測器可在漏水測試開始前在汽車中快速高效安裝,消除勞動密集型的人工探測,同時也簡化數據收集和分析。

此外,檢測安全帶狀態的濕度和壓力感測及額外的距離感測,可以實現比傳統座椅有線或氣囊系統更智慧的汽車佔位檢測。智慧被動感測器能區分人體和只是置於座椅上的物體,感測可簡單運用最小的額外成本擴展到涵蓋後排乘客座椅和可移動的座椅。

智慧被動感測器標籤也可針對漏水檢測、在場感測和溫度或濕度水準監測,用於家庭自動化、連網汽車到工業控制、品質檢測、農業、醫療、建築、供應鏈管理等眾多應用。

總結

智慧被動感測器為無處不在的感測引入新選擇。可以監測壓力、溫度、濕度或距離,消除傳統智慧感測器的體積、功耗、成本等問題。設備設計人員現在可以擴展智慧系統和物聯網的動力到過去難以接近的領域和應用,而不受尺寸限制或經濟因素阻礙。