РадиоЛоцман - Все об электронике

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием

Linear Technology LT6654 LTC2484 LTP5901-IPR LTP5901 LTC3330

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2014

Kris Lokere, Linear Technology

EDN

Введение

По мере развития «Интернета вещей» усиливается тенденция расширения области его использования от границ простого соединения людей и компьютеров к подключению любых «вещей» к Интернету. В таких приложениях, как промышленные предприятия или крупные инфраструктурные проекты подключение большего количества датчиков (или преобразователей) в большем количестве мест может повысить эффективность, улучшить безопасность и способствовать реализации совершенно новых бизнес-моделей.

Вместо того, чтобы заниматься затратной прокладкой кабелей по всему заводу, теперь стало возможным установить беспроводные датчики промышленного уровня надежности, способные проработать многие годы на маленькой батарейке, или даже, на энергии, собираемой из всегда доступных источников, таких, как свет, вибрация или температурные градиенты.

Linear Technology предлагает все компоненты, необходимые для создания высокоэффективных, надежных, малопотребляющих беспроводных сетей датчиков. В этом тематическом исследовании показан реальный проект, сочетающий в себе датчик температуры высокого разрешения, схему управления питанием, использующую либо энергию солнца при ее доступности, либо энергию резервной батареи, и радиомодуль с низкой потребляемой мощностью, автоматически формирующий надежную беспроводную ячеистую сеть, соединяющую все датчики с центральной точкой доступа.

Обзор конструкции

На Рисунке 1 показана блок-схема устройства. Датчик температуры основан на термисторе, питающемся от малошумящего источника опорного напряжения. 24-разрядный дельта-сигма АЦП LTC2484 измеряет напряжение на термисторе и передает результаты по линиям интерфейса SPI.

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 1. Беспроводной датчик температуры состоит из подключенного к АЦП радиомодуля, источника опорного напряжения и термистора. Устройство питается от схемы сбора энергии, использующей либо батарею, либо солнечную панель.

Радиомодуль LTP5901 содержит не только радиочастотные узлы, но и встроенные программы, необходимые для автоматического формирования многоузловых сетей, использующих протокол IP. Кроме того, LTP5901 содержит встроенный микропроцессор, считывающий данные из АЦП LTC2484 через порт SPI, а также управляющий последовательностью включения питания всех компонентов цепи прохождения сигнала.

Микросхема LTC3330 представляет собой маломощный сдвоенный импульсный источник питания, при наличии достаточного освещения преобразующий энергию, получаемую от солнечной панели, и переключающийся на использование батареи, когда это необходимо для поддержания требуемого выходного напряжения. Микросхема содержит также LDO стабилизатор, позволяющий управлять периодическим включением питания датчика температуры.

Цепь прохождения сигнала

В предлагаемой схеме температура измеряется с помощью термистора. Термисторы пригодны для измерения температур, далеко выходящих за типичный диапазон, представляющий практический интерес в повседневной жизни человека. Термисторы – это резисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом. К примеру, изготавливаемые компанией US Sensor приборы KS502J2 при температуре 25 °C имеют сопротивление 5 кОм, которое в диапазоне температур от –30 °C до +70 °C изменяется от 88 кОм до 875 Ом.

Термистор включен последовательно с двумя прецизионными резисторами 49.9 кОм и запитан от высокоточного источника опорного напряжения LT6654 (Рисунок 2). Дельта-сигма АЦП LTC2484 измеряет напряжение на резисторном делителе с разрешением 24 бита. Общая нескорректированная ошибка АЦП составляет 15 ppm, что в диапазоне изменения сопротивления выбранного термистора соответствует неопределенности измерения температуры менее 0.05°C. Паспортные данные термистора указаны с точностью 0.1 °C, и, значит, иметь аналогичную точность измерений можно без каких-либо калибровочных процедур.

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 2. 24-битный АЦП LTC2484 считывает напряжение термистора. Ввиду того, что синфазное входное напряжение остается центрированным, этот АЦП из семейства Easy Drive не потребляет входного тока, что делает логометрические измерения простыми и точными.

Шум АЦП не превышает значения 4 мкВ пик-пик, которое пересчитывается в ошибку измерения температуры, меньшую, чем 0.005 °C. Это означает, что при выполнении соответствующей калибровки система может использоваться для сверхточных измерений температуры. Поскольку АЦП измеряет отношение напряжения на термисторе к напряжению опорного источника, последний, строго говоря, не обязательно должен быть точным. Однако источник должен быть малошумящим, чтобы флуктуации опорного напряжения во время работы АЦП не искажали результатов измерений.

В АЦП LTC2484 реализована запатентованная структура входа, получившая название Easy Drive. Ее особенность заключается в том, что результирующие дифференциальные токи выборки во время выполнения преобразования близки к нулю. В результате отсутствуют какие-либо ошибки измерения, обусловленные протеканием входного тока выборки через резисторную цепочку термистора, что позволяет исключить из схемы отдельный буферный операционный усилитель. Блокировочные конденсаторы создают низкоимпедансные пути для высокочастотных компонентов сигналов. Во многих случаях нет необходимости в постоянных измерениях температуры, и вполне достаточно отсчетов, получаемых раз в секунду, или даже раз в минуту. Это позволяет экономить много энергии в те отрезки времени, когда измерения не производятся. Ниже описано, как работает такая схема.

Ток, идущий в цепочку резисторов от опорного источника 2.5 В, может достигать 25 мкА. Чтобы снизить потребление мощности в паузах между измерениями, питание опорного источника должно включаться только на время работы АЦП. Постоянная времени входной цепи АЦП равна примерно 5 мс. Заблаговременное включение питания за 80 мс до начала измерений позволит входному напряжению АЦП устанавливаться полностью.

Фактически, из-за того, что оба входных узла включаются с одинаковой скоростью, выполнять измерения с необходимой точностью можно намного раньше, чем истечет теоретическое время установления. LT6654 питается выходным напряжением 3 В встроенного в LTC3330 LDO стабилизатора. Микропроцессор модуля LTP5901 управляет выводом разрешения LDO стабилизатора микросхемы LTC3330, обеспечивая при этом достаточные запасы времени до и после циклов измерений.

Закончив преобразование, LTC2484 автоматически переходит в спящий режим. Ток, потребляемый АЦП в этом режиме, имеет величину порядка 1 мкА, что составляет небольшую долю от тока, требуемого для беспроводного радиомодуля. По этой причине управление питанием АЦП не требуется. И, поскольку АЦП и LTP5901 постоянно питаются одинаковым напряжением, логические уровни их интерфейсов SPI совпадают, что делает схему более простой.

Завершив передачу результата измерения через порт SPI, LTC2484 автоматически начинает новое преобразование, сохраняя данные во внутреннем регистре до тех пор, пока пользователь не запросит их в очередной раз. Это полезно в системах, требующих очень частых считываний температуры. Однако в некоторых ультра маломощных приложениях периоды ожидания между считываниями могут быть достаточно продолжительными. В таком режиме для того, чтобы получить действительно «свежие» данные, приложение сначала должно подать импульсы на выводы /CS и SCK, чтобы сбросить «устаревшую» информацию о температуре из регистра АЦП.

Этим автоматически запускается новое измерение температуры. Дождавшись завершения преобразования, микропроцессор считывает результаты через порт SPI. Несмотря на то, что немедленно после этого автоматически начнется следующее измерение, система продолжает удерживать термисторную цепочку отключенной путем блокировки LDO стабилизатора, отчего результат этого дополнительного считывания будет впоследствии проигнорирован.

Полную мощность, потребляемую схемой датчика температуры, можно подсчитать следующим образом. Сначала, сложив токи источника опорного напряжения (350 мкА), термисторной цепочки (25 мкА) и АЦП во время преобразования (160 мкА), получим в сумме 535 мкА (см. Таблицу 1). Затем посмотрим, как долго протекает этот ток. Для преобразования АЦП требуется порядка 140 мс, и 80 мс перед началом преобразования, чтобы дать время на установление опорного напряжения термисторной цепи.

Таблица 1. Потребление тока
элементами схемы в
активном режиме
Опорный источник LT6654
350 мкА
Термисторная цепочка
25 мкА
АЦП LTC2484
160 мкА
Всего
535 мкА

Добавим еще некоторое время, необходимое на считывание регистра АЦП через SPI, и получим время активного состояния порядка 300 мс. Ток 535 мкА, протекающий в течение 300 мс, соответствует переносу заряда в 160 мкКл. К этой величине следует прибавить заряд, необходимый блокировочному конденсатору 4.7 мкФ на линии питания 3 В, так как этот узел перезаряжается от 0 В до 3 В при каждом считывании.

Таблица 2. Среднее потребление тока
при различной периодичности
считывания температуры
Периодичность считывания
температуры
Средний ток
Один раз в секунду
170 мкА
Один раз в 10 секунд
17 мкА
Один раз в минуту
2.9 мкА

С учетом заряда конденсатора в 14 мкКл общий заряд, необходимый для одного измерения, будет равен 174 мкКл. Если выполнять одно измерение каждые 10 секунд, средний ток потребления составит 17 мкА. Примеры средних токов для других режимов работы приведены в Таблице 2.

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 3. LTC3330 преобразует либо энергию солнечной панели, либо батареи, автоматически переключаясь между двумя источниками, чтобы обеспечить на выходе стабилизированное напряжение. Дополнительный LDO стабилизатор управляется выводом с логическими уровнями входного напряжения, и используется для включения и выключения питания датчика температуры. LTC3330 имеет выходной флаг, указывающий, какой из источников энергии используется в данный момент.

Отдельный понижающий преобразователь может использовать энергию солнечной панели, конвертируя ее в напряжение такого же уровня. Внутренний блок приоритетов следит за тем, чтобы, по мере возможности, использовалась только солнечная энергия, а батарея подключалась лишь в случае необходимости (Рисунок 3). В других приложениях микросхема LTC3330 способна собирать энергию источников переменного тока, таких, например, как пьезокристаллы, генерирующие переменное напряжение, пропорциональное энергии вибрации (Рисунок 4).

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 4. DC/DC преобразователь микросхемы сбора энергии LTC3330 продлевает срок жизни батареи, используя энергию пьезоэлектрических, солнечных или магнитных источников.

В режиме покоя LTC3330 потребляет меньше 1 мкА, а значит, вполне подходит для этого маломощного беспроводного приложения. Потери в микросхеме источника питания составляют лишь небольшую часть энергии, уходящей в «нагрузку», и, прежде всего, в датчик температуры и беспроводную сеть.

Помимо двух импульсных преобразователей, LTC3330 содержит LDO стабилизатор с отдельным выводом разрешения. Эта функция очень удобна для коммутации питания нашей схемы. Источник опорного напряжения и цепь термистора подключены к выходу LDO стабилизатора. Это не только снижает шумы переключения, но и позволяет управлять включением и выключением питания цепи прохождения сигнала, сохраняя при этом беспроводное радио всегда включенным.

Очень важно, чтобы радиомодуль в паузах между передачами оставался включенным, так как синхронизация всей сети во времени обеспечивается таймерами его микроконтроллера. Внутренний микропроцессор беспроводного модуля в строго установленные моменты времени включает и выключает LDO с помощью вывода разрешения, подготавливая цепь прохождения сигнала к измерению температуры.

LTC3330 имеет выходной флаг EH_ON, сообщающий системе, забирается ли энергия от батареи или от солнечной панели. Флаг может быть полезен конченому пользователю, чтобы давать ему доступ к этой информации в реальном времени. По этой причине мы позволяем внутреннему микроконтроллеру радиомодуля считывать состояние этого флага и передавать его по сети наряду с данными измерения температуры.

Логический уровень сигнала на выходе EH_ON определяется напряжением внутренней шины питания LTC3330, которое зависит от режима работы и может превышать 4 В. Вместо того чтобы подключать этот вывод непосредственно к входу радиомодуля с более низким напряжением питания, мы делим его выходное напряжение и подаем на встроенный в микропроцессор 10-разрядный АЦП. В этом случае АЦП используется, фактически, просто как компаратор, указывающий, какой источник питания используется микросхемой LTC3330.

Организация беспроводной сети

LTP5901 является законченным беспроводным радиомодулем, содержащим приемопередатчик, встроенный микропроцессор и сетевое ПО. Физически он представляет собой миниатюрную печатную плату (Рисунок 5), которая может быть легко припаяна к основной плате, на которую устанавливаются остальные элементы устройства – цепь обработки сигнала и схема управления питанием.

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 5. Беспроводной радиомодуль LTP5901.

В этом устройстве LTP5901 выполняет две функции: средства беспроводного подключения и системного микроконтроллера (Рисунок 6). Когда включается питание нескольких узлов LTP5901, расположенных по соседству с менеджером сети, узлы автоматически распознают друг друга и начинают строить беспроводную ячеистую сеть. Вся сеть автоматически синхронизируется во времени, благодаря чему каждый приемопередатчик включается только на очень короткие, предопределенные временные интервалы.

Точный беспроводной датчик температуры сам себя обеспечивает питанием
Рисунок 6. Для LTP5901-IPM в этом приложении требуется удивительно небольшое количество соединений. Все функции беспроводной сети, включая встроенные программы и радиочастотные цепи, уже встроены в модуль. Трехпроводный интерфейс SPI подключен к порту SPI микросхемы LTC2484. Вывод DP2 порта общего назначения (GPIO) управляет порядком включения датчика. Встроенный АЦП работает как транслятор уровня для считывания значения статусного флага EH_ON микросхемы сбора энергии LTC3330.

 В результате каждый узел способен работать не только как источник информации, но и как узел маршрутизации, транслирующий данные от других узлов к получателю. Таким образом создается исключительно надежная, маломощная ячеистая сеть, в которой каждому узлу доступно множество путей к менеджеру сети, даже при том, что все узлы, включая узлы маршрутизации, работают на очень низком уровне потребляемой мощности. Радиус действия, обеспечиваемый этой радиотехнологией, определяется типичным расстоянием между узлами 100 м, которое, однако, может быть во много раз больше за пределами помещений, в благоприятных условиях открытого пространства LTP5901 содержит микропроцессор с ядром ARM Cortex-M3, работающий под управлением сетевого ПО. Дополнительно ядро может программироваться пользователем для решения специфических задач конкретных приложений. Это позволяет многим системам обходиться без микропроцессоров сторонних производителей.

В нашем примере внутренний микропроцессор LTP5901, в строго определенное время включая и выключая LDO стабилизатор микросхемы LTC3330, управляет последовательностью подачи питания на датчик температуры таким образом, чтобы сберечь максимум энергии в интервалах между измерениями. LTP5901 считывает результаты измерений из 24-битного АЦП непосредственно через порт SPI.

И, наконец, LTP5901 считывает из LTC3330 статусный флаг питания (EH_on), показывающий, что является источником энергии схемы в данный момент – солнечный свет или батарея.

Для оценки мощности, потребляемой беспроводным радио, можно воспользоваться предлагаемыми Linear Technology онлайн инструментами SmartMesh Power и Performance Estimator, доступными по ссылке [1]. Для типичной сети, состоящей из 20 мотов, в которой 10 мотов подключены к менеджеру сети напрямую (через каналы с одним транзитным участком), а 10 остальных имеют непрямое соединение (через каналы с двумя транзитными участками), средний ток потребления равен 40 мкА для первой группы мотов, и 20 мкА для второй.

Приведенные числовые иллюстрации относятся к узлам, передающим результаты измерений температуры один раз в 10 секунд. Причина, по которой узлы с прямым подключением к менеджеру потребляют примерно вдвое больше, чем узлы, подключенные через два транзитных участка, заключается в том, что такие узлы не только предают информацию от собственных датчиков, но и маршрутизируют данные от некоторых узлов с непрямым соединением. Упомянутые выше уровни мощности можно сократить еще приблизительно вдвое, если отключить функцию, называемую «advertising» (буквально: «рекламирование», «анонсирование»). При этом перестанут распознаваться новые узлы, желающие подключиться к сети. Никакого иного влияния на работу сети отсутствие этой функции не оказывает.

Общее потребление энергии

Величина суммарной мощности, рассеиваемой всей схемой, зависит от различных факторов, включая частоту измерений температуры и конфигурацию узлов сети. Типичное значение тока, потребляемого сенсорным узлом при периодичности опроса 10 секунд, составляет менее 20 мкА для цепей датчика и достигает 20 мкА для радиочастотной части. Таким образом, суммарный ток потребления имеет порядок 40 мкА.

Маленькая солнечная панель размером 50 × 50 мм (например, серии Amorton) может генерировать ток 40 мкА даже при сравнительно слабом комнатном освещении порядка 200 лк, и во много раз больше при ярком солнечном свете. Это означает, что описанное выше устройство способно питаться исключительно энергией, получаемой от солнечных панелей, в достаточно широком диапазоне условий. Если схема находится в темноте и солнечная энергия ей недоступна, от батареи емкостью 2.4 А·ч (скажем, серии XOL компании Tadiran) она сможет проработать почти 7 лет. При низком или меняющемся освещении схема автоматически переключается между использованием энергии батареи и энергии солнца, еще больше увеличивая срок службы батареи.

Заключение

Созданные Linear Technology продукты для обработки сигналов, управления питанием и радиочастотной связи позволяют разрабатывать законченные, истинно беспроводные сети датчиков. Синхронизированные во времени ячеистые сети обеспечивают надежную передачу данных между узлами при минимальном расходе энергии. Встроенный микроконтроллер радиомодуля может управлять цикличностью включения питания схемы датчика. Эффективные, высокоинтегрированные микросхемы управления питанием способны в течение максимально возможного времени обеспечивать устройство солнечной энергией или в течение многих лет использовать небольшую батарею.

Ссылки

  1. http://www.linear.com/products/smartmesh_ip

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Precise wireless temperature sensor powers itself

LT6654 Купить ЦенаКупить LT6654 на РадиоЛоцман.Цены — от 95,80 до 440
7 предложений от 7 поставщиков
Voltage References LT6654 - Precision Wide Supply High Output Drive Low Noise Reference2-4 недели
Элитан
Россия
LT6654BHLS8-4.096
Analog Devices
96 ₽
AliExpress
Весь мир
AAT1217 AD5165 AD5228 ADM1170 ADM1171 ADM1172 AHK1421 AP3031 AP5724 AP5725 AP5726 LMP7711 LT1790 LT3092 LT3467 LT3469 LT6654 LTC
440 ₽
ЭИК
Россия
LT6654AMPS6-2.5
Analog Devices
по запросу
ЗУМ-СМД
Россия
LT6654BMPS6-2.048TRMPBF
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Коротко. В нете в последнее время исчезли статьи - как уменьшить потребление сплидсистемы примерно на 20%. Как не странно - делается очень просто, ограничивается попадание солнечных лучей на внешний блок. В данном случае предлагается регулировать "небо" с некоторой погрешностью. Я понимаю, если ЭДС берется за счет разности температуры на силовом транзисторе и окружающей среды, или разностей с 1 стороны температуры помещения и отопительной батареи или нагревающегося/охлаждающегося оборудования.
  • Интересный вариант. Главное достоинство- микроскопическое потребление энергии.