功效折衷是无线传感器技术应用成功的关键

高级研究员

惠普实验室

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。