在任何給定時間內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中大多數(shù)設(shè)備都可能處于空閑狀態(tài)。通常，僅需要 IoT 傳感器以不頻繁的時間間隔進(jìn)行測量，并向信號收集器發(fā)送少量結(jié)果數(shù)據(jù)，然后返回最低耗能狀態(tài)，直到進(jìn)行下一次測量。有的智能傳感器可通過小型電池供電，無需充電或更換即可使用數(shù)年。

如果能夠消除永久連接電源的需求，傳感器就可實(shí)現(xiàn)無限期部署，并可制作得更小、更輕。這為新型傳感器開發(fā)創(chuàng)造了機(jī)會，例如可以舒適穿戴的非侵入式醫(yī)學(xué)傳感器。連接到皮膚上的無線溫度感測貼片可以不時地執(zhí)行快速檢查，相比于有線傳感器，穿戴者可以更自由地活動。相比可重復(fù)使用的引線式傳感器，一次性貼片還具有衛(wèi)生優(yōu)勢。

許多其他應(yīng)用在粘性傳感器貼片出現(xiàn)以后獲益良多，如監(jiān)測溫度、濕度或壓力。它們還可用于人員檢測、工業(yè)過程無連接監(jiān)測、或者智能農(nóng)業(yè)，如監(jiān)測土壤或溫室條件，或者檢查牲畜體溫。

一種結(jié)合了超低功耗傳感器和 RFID 技術(shù)的全新智能傳感器正在興起。僅在 RFID 讀取器需要記錄讀數(shù)時，才會通過其發(fā)射的射頻場為這些傳感器供電。諸如此類的無電池傳感器僅在需要時才采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到讀取器，不會單獨(dú)進(jìn)行測量或者存儲數(shù)據(jù)。

圖 1 表示無源貼片傳感器的功能塊簡化概述，包括到模擬或數(shù)字變送器的前端接口、信號調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理、無線通信和電源管理。為了集成各種元件，來構(gòu)建以有限射頻場能量進(jìn)行工作的系統(tǒng)，需要有成熟的低功耗設(shè)計，并仔細(xì)考慮計算負(fù)載并進(jìn)行有效的功率管理。這樣的傳感器必須小巧靈活，易于貼裝，并且如果是可穿戴設(shè)備，還必須舒適，如生物傳感器。

圖 1：利用 RFID 技術(shù)的無源傳感器標(biāo)簽功能元件

芯片和傳感器標(biāo)簽

幸運(yùn)的是，有多種集成度更高的無源感測和優(yōu)化選擇。其中有 Texas Instruments 的 RF430FRL152H，它集成了實(shí)現(xiàn)圖 1 所示功能所需的所有電路，包括用于連接到模擬傳感器的 14 位三角積分 ADC、以及可用于連接數(shù)字傳感器的 SPI/I2C 端口。RF430FRL15xH 帶有通過鐵電 RAM (FRAM) 實(shí)現(xiàn)的 2 KB 非易失性存儲器，實(shí)現(xiàn)了低功耗、快速讀寫速度、無限次讀/寫耐久性和高電磁抗擾度綜合優(yōu)勢。并且，由于 FRAM 可以在低供電電壓下工作，因此無需充電泵來產(chǎn)生升高的編程電壓。集成無線電符合 ISO 15693，允許使用標(biāo)準(zhǔn) NFC/RFID 讀取器或啟用 NFC 的智能電話來讀取傳感器。

RF430FRL15xH 還提供了一個評估套件，由一塊基板以及集成天線與環(huán)境光和溫度傳感器組成。支持固件包括 RF 堆棧、驅(qū)動程序庫和引導(dǎo)代碼。受 TI 的 Code Composer Studio 設(shè)計環(huán)境支持。另外還提供傳感器集線器增強(qiáng)包擴(kuò)展板，其中含有 MEMS 運(yùn)動傳感器和壓力、濕度、溫度和光傳感器。

提供的參考設(shè)計涵蓋構(gòu)建用于測量溫度或皮電反應(yīng)的生物傳感器貼片所需的一切，包括使用 NFC 詢問傳感器的 Android 手機(jī)應(yīng)用、以及一個用于配置和展示貼片的 PC GUI。

集成智能無源傳感器

ON Semiconductor 采取了一種不同的方法，開發(fā)出全集成式智能無源傳感器，用于監(jiān)測溫度、濕度或壓力。

支持這些傳感器的生態(tài)系統(tǒng)包括多合一開發(fā)套件和具有自身內(nèi)置 GUI 和 IoT 連接的便攜式電池供電讀取器。該讀取器可從傳感器標(biāo)簽采集數(shù)據(jù)。多種商用固定式或手持式讀取器經(jīng)測試也可與這些標(biāo)簽配合使用。

如圖 2 所示，ON Semiconductor 智能無源傳感器采用激勵回路，能夠通過測量阻抗變化實(shí)現(xiàn)濕度或壓力監(jiān)測，并采用了一個無微控制器的自微調(diào) IC，其中含有自適應(yīng) RFID 前端、片載溫度傳感器以及用于唯一標(biāo)識的集成式存儲器。標(biāo)簽使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第 2 代 UHF 協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)讀取器初始化通信時，IC 測量此激勵回路內(nèi)的溫度條件，并將含數(shù)字化溫度的測量數(shù)據(jù)從片載傳感器傳輸?shù)阶x取器。通過監(jiān)測射頻信號強(qiáng)度，集成 RSSI 還可進(jìn)行接近檢測或動作檢測。

圖 2：通過檢測內(nèi)置激勵回路的阻抗變化，ON Semiconductor 全集成式傳感器標(biāo)簽可測量壓力和濕度。

ON Semiconductor 開發(fā)出了一系列傳感器，可用于濕度測量、浸水檢測和溫度測量等應(yīng)用，總結(jié)見表 1。它們適合各種工業(yè)和醫(yī)學(xué)場景，如質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測。

傳感器零件編號功能頻率范圍SPS1M001浸水質(zhì)量控制860 - 960 MHzSPS1M002濕度檢測860 - 960 MHzSPS1M003高靈敏度濕度檢測860 - 960 MHzSPS2T001溫度傳感器860 - 960 MHz

表 1：用于濕度和溫度檢測的全集成式傳感器系列。

符合 NFC 和 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的手持讀取器可用于讀取智能無源傳感器，并已在供應(yīng)鏈管理等使用案例中得到驗證。與掃描 RFID 標(biāo)簽以記錄收貨或發(fā)貨的方式完全一樣，掃描無源傳感器可以獲取讀數(shù)。在供應(yīng)鏈應(yīng)用中，將 RFID 標(biāo)簽升級為傳感器標(biāo)簽帶來額外功能，可記錄供應(yīng)鏈中貨物在任何位置的狀態(tài)。例如，用于驗證是否符合規(guī)定的存儲條件，或者幫助識別供應(yīng)鏈中可能出現(xiàn)損壞的點(diǎn)。

通過移動手持讀取器掃描并非從無源傳感器收集數(shù)據(jù)的唯一方式。固定式讀取器可放置在適當(dāng)位置，以便從穿過其有效范圍的傳感器上采集數(shù)據(jù)。這樣可以支持準(zhǔn)確檢測工業(yè)設(shè)備，以便進(jìn)行維護(hù)。多個傳感器可以放置在預(yù)先確定的位置，如電機(jī)或軸承座、電子電源模塊，并定期掃描。如果沒有傳感器標(biāo)簽，此類分析可能需要使用紅外溫度計等設(shè)備進(jìn)行手動測量。而手動搜索則會造成被測表面的位置稍稍不同或者時間間隔稍稍不同，這樣就會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。固定式讀取器和永久連接的傳感器可以消除這些誤差，并且采集的數(shù)據(jù)可以輕松轉(zhuǎn)送到主機(jī)或云端進(jìn)行分析。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中普遍的極端功率限制正推動創(chuàng)新型解決方案以及新型設(shè)備的出現(xiàn)。利用現(xiàn)有 RFID 技術(shù)的智能無源傳感器可以長期部署，無需電池或維護(hù)，并且僅在需要測量時通電。除了無電池的簡便性外，在廣泛的應(yīng)用中，它們還具有諸多優(yōu)勢，如更高的安全性、可重復(fù)性和用戶舒適度。