未來智能家居最有發(fā)展前景的電子元器件有哪些？

在不久的將來，最有發(fā)展前景的電子元件之一是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)——的應(yīng)用和部署，也就是說，該網(wǎng)絡(luò)由幾十到幾萬個(gè)小傳感器組成，在中央系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行測(cè)量、的計(jì)算和無線通信。單個(gè)傳感器或節(jié)點(diǎn)將以極低的功耗運(yùn)行，收集其周圍的能量以支持運(yùn)行，因此它們的安裝將不再需要昂貴的布線基礎(chǔ)設(shè)施，并且將在無需維護(hù)的情況下繼續(xù)運(yùn)行數(shù)年。這些小而便宜的系統(tǒng)被授予“粘貼可用”傳感器的稱號(hào)。從這個(gè)標(biāo)題中，我們可以看到這種傳感器的安裝是多么簡(jiǎn)單。包括數(shù)十個(gè)、、數(shù)百個(gè)、甚至數(shù)萬個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)的WSN將進(jìn)行多點(diǎn)感測(cè)，這已經(jīng)是非常昂貴的、更加價(jià)格友好的并且實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制以降低成本和擴(kuò)展功能。讓我們舉個(gè)例子。像食品倉庫這樣的大型建筑將會(huì)有幾十個(gè)無線恒溫器來監(jiān)控溫度和濕度。所有這些恒溫器將向中央系統(tǒng)報(bào)告這一信息。中央系統(tǒng)調(diào)節(jié)空氣流量和制冷，以保持一致的環(huán)境條件，最大限度地減少食物腐敗。這些傳感器可以放置在不同尋常的位置，如貨架下的、、垃圾箱底部的、，甚至是食物上，使用戶能夠更準(zhǔn)確地了解環(huán)境條件的變化。

 

1智能電網(wǎng):分布式智能的領(lǐng)先應(yīng)用分布式傳感最重要的應(yīng)用之一是在電力行業(yè)。業(yè)界一直在尋找一種新的方法來測(cè)量和顯示整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)的功率流，以實(shí)現(xiàn)高效的、可靠服務(wù)。可以預(yù)測(cè)，通過改善基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)和更好地了解消費(fèi)模式，向智能電網(wǎng)(通常稱為“智能電網(wǎng)”)的持續(xù)發(fā)展不僅可以提高輸電質(zhì)量，而且有助于將成本控制在可控范圍內(nèi)。事實(shí)上，每一個(gè)發(fā)電和輸電階段都可以受益于這種遠(yuǎn)程傳感器，包括電力公司到大功率輸電和變電站，從街道輸電線路和變壓器到接入點(diǎn)、工廠和住宅中的辦公樓。這些位置的傳感器可以檢測(cè)使用習(xí)慣并將其報(bào)告給中央系統(tǒng)，從而使智能電網(wǎng)能夠微調(diào)自身以滿足這些需求，同時(shí)避免可能導(dǎo)致斷電和縮短設(shè)備使用壽命的過載情況。電網(wǎng)智能對(duì)于分布式電源的集成也至關(guān)重要，例如太陽能陣列、風(fēng)電場(chǎng)和地?zé)岚l(fā)電廠。在以前非智能設(shè)備之間提供通信的技術(shù)進(jìn)步催生了“智能家庭”和“智能工廠”以及無所不包的“物聯(lián)網(wǎng)”。這些形式的分布式智能將帶來新類型的應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)更大的便利性和提高生產(chǎn)力，無論是外圍應(yīng)用程序還是主要應(yīng)用程序領(lǐng)域。無線節(jié)點(diǎn)將只負(fù)責(zé)智能電網(wǎng)中的一些分布式智能，因?yàn)樵S多傳感器將使用有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或電力線本身作為物理網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)。然而，在一個(gè)重要方面，電力公司已經(jīng)率先將無線技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量通信。多年來，公共事業(yè)已經(jīng)開始用可以無線讀取的數(shù)字儀器取代傳統(tǒng)的機(jī)電儀器。無論如何，無線公用事業(yè)電表節(jié)省了抄表員每月檢查電表的費(fèi)用。現(xiàn)在抄表員可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得抄表數(shù)而不用停留，并且通常不需要進(jìn)入該場(chǎng)所的內(nèi)部。更復(fù)雜的儀器通常在更廣的范圍內(nèi)通信，因?yàn)樗鼈兪占桶l(fā)送的數(shù)據(jù)可以幫助公共事業(yè)預(yù)測(cè)需求模式，更有效地提供服務(wù)。

 

2、超低功耗是WSN的關(guān)鍵。德州儀器在開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)無線儀表的集成電路技術(shù)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，德州儀器客戶是這些設(shè)備的重要供應(yīng)商。作為低功耗模擬和混合信號(hào)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，TI在設(shè)計(jì)、以制造可用于便攜式產(chǎn)品、工業(yè)和汽車控制系統(tǒng)等功率敏感應(yīng)用的集成電路產(chǎn)品方面擁有悠久的歷史。今天，同樣的技術(shù)曾經(jīng)為無線公用事業(yè)儀表開發(fā)出現(xiàn)在最新一代的組件中，它們消耗更少的能量，使它們非常適合為無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生傳感節(jié)點(diǎn)。WSN使用這些解決方案將有助于將智能引入住宅、、辦公室、、工廠、、農(nóng)場(chǎng)、、娛樂、和自然環(huán)境-我們希望收集數(shù)據(jù)來幫助我們了解和控制任何地方的環(huán)境條件。設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程無線傳感器的設(shè)計(jì)人員必須在大量系統(tǒng)需求中做出適當(dāng)?shù)臋?quán)衡，包括、尺寸的成本和可靠的組件電源，以及設(shè)計(jì)支持工具和軟件庫。還應(yīng)該注意的是，遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)基本考慮是超低功耗(ULP)組件的可用性。如果沒有ULP微控制器、存儲(chǔ)器、傳感器、收發(fā)器和其他系統(tǒng)功能，遠(yuǎn)程無線傳感器無法以低成本實(shí)現(xiàn)。能夠從光源、的振動(dòng)或熱量中收集和存儲(chǔ)環(huán)境能量的技術(shù)對(duì)于這些設(shè)備及其構(gòu)成的WSN的成功也是至關(guān)重要的。任何測(cè)量系統(tǒng)的核心都是微控制器單元(MCU)，它執(zhí)行計(jì)算并控制系統(tǒng)。為了省電，無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要ULP微控制器長(zhǎng)時(shí)間睡眠——通常超過99%的時(shí)間。激活周期包括快速喚醒、，以有效執(zhí)行測(cè)量、通信和控制功能、，然后返回睡眠狀態(tài)。由于傳感器可能有大量的應(yīng)用，為了實(shí)現(xiàn)靈活性，單片機(jī)必須具備足夠的外設(shè)功能，并且在不使用時(shí)仍能關(guān)閉外設(shè)，從而達(dá)到省電的目的。同樣，必須編寫微控制器軟件，以最大限度地減少計(jì)算量，并利用設(shè)備固有的任何節(jié)能功能。與微控制器類似，所有其他系統(tǒng)組件在執(zhí)行任務(wù)時(shí)必須設(shè)計(jì)為僅消耗極少量的功率。存儲(chǔ)器必須有足夠的空間來保存程序和數(shù)據(jù)，并且足夠快，以便在微控制器被喚醒時(shí)支持一個(gè)短的活動(dòng)周期。然而，存儲(chǔ)器還必須設(shè)計(jì)成支持有效的讀寫，并在睡眠期間保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小功耗。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器必須足夠快以支持系統(tǒng)的輸入和輸出，但功耗不得大于執(zhí)行此任務(wù)所需的功耗。ULP發(fā)射機(jī)必須快速激活和關(guān)閉，在喚醒周期內(nèi)發(fā)送和接收大量突發(fā)數(shù)據(jù)，能夠在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)傳輸以滿足網(wǎng)絡(luò)需求，并且可以支持不同的傳輸格式以實(shí)現(xiàn)靈活性。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)要求，節(jié)點(diǎn)可能需要接收數(shù)據(jù)，這在節(jié)能方面需要稍微不同的考慮。

 

3、面向無線傳感器節(jié)點(diǎn)的3TI ULP產(chǎn)品現(xiàn)已上市。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中，合肥SMT電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。就能量而言，無論是太陽能電池板、熱能或壓電傳感器，還是其他設(shè)備，它們都必須由電路支撐。這些電路的設(shè)計(jì)目的是最大限度地收集能量，而不考慮周圍環(huán)境的變化。能量?jī)?chǔ)存在可充電電池或超級(jí)電容器中，或者兩者都有。為了優(yōu)化電源，需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)管理，以便在必要時(shí)為設(shè)備供電。感測(cè)熱量、、電流、、化學(xué)物質(zhì)或其他環(huán)境條件的元件必須具有足夠的靈敏度以達(dá)到精確的程度，而不是過度功耗。當(dāng)選擇這些組件來平衡功能和低功耗之間的關(guān)系時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠自主運(yùn)行幾年。基于在為各種應(yīng)用設(shè)計(jì)集成電路產(chǎn)品方面積累的專業(yè)知識(shí)，TI可以提供滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)功率要求的解決方案。這些解決方案中的許多都是無線功率計(jì)的擴(kuò)展，因此這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛測(cè)試。將二者結(jié)合在一起，德州儀器的超大規(guī)模集成電路產(chǎn)品提供了一個(gè)完整的系統(tǒng)，并提供了強(qiáng)大的支持，從而使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)楦鞣NWSN應(yīng)用創(chuàng)建無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

 

4、金剛狼 (Wolverine)MSP430 MCU TI無線感測(cè)解決方案的核心是“Wolverine”MSP430微操控器。借助于專門規(guī)劃用于ULP的架構(gòu)，相關(guān)于之前的器材，Wolverine MCU的整體功耗削減了50%。此類MCU根據(jù)130納米 (nm) 超低走漏工藝技能，然后削減了激活和靜態(tài)功率，而針對(duì)器材的整個(gè)規(guī)劃庫被重新規(guī)劃，以充分利用這些節(jié)點(diǎn)特性。庫中的高成效元件包含模擬組件以及數(shù)字組件，這樣的話，MCU集成了比如12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化器 (ADC) 的外設(shè)，此類外設(shè)可以在流耗只有75mA的一起，每秒鐘采樣200000次；以及運(yùn)轉(zhuǎn)流耗僅有100納安 (nA)，具有日歷和鬧鈴功用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)。 Wolverine的片上電源辦理技能包含對(duì)7種作業(yè)形式的支持，高檔電源選通，以及高度響應(yīng)自適應(yīng)穩(wěn)壓器。按照使用的特定要求，MCU被分為多個(gè)電源域，以完成器材內(nèi)每個(gè)部件的動(dòng)態(tài)辦理。MSP430架構(gòu)所長(zhǎng)時(shí)間具有的這個(gè)特性比以前愈加精細(xì)，擴(kuò)展到更大功用塊內(nèi)的單個(gè)模塊。為了在體系每次從待機(jī)切換到激活形式時(shí)最大限度地削減功率損耗，此器材運(yùn)用其電源選通操控器將請(qǐng)求時(shí)鐘的模塊保持在激活狀態(tài)，一起將空閑模塊放置在保持形式。此外，經(jīng)過主動(dòng)適應(yīng)負(fù)載的改變，比如說在高頻模塊加電時(shí)，智能電源辦理免除了關(guān)于外部緩沖電容器的需求。所有這些節(jié)點(diǎn)特性無需開發(fā)人員干涉，以無縫方法主動(dòng)完成電源辦理。 

 

5、快速、低功耗FRAM Wolverine MSP430架構(gòu)在鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器 (FRAM) 集成方面也有重要意義。FRAM在結(jié)構(gòu)方面與DRAM相類似，不同的是數(shù)據(jù)以晶態(tài)存儲(chǔ)，而不是以電荷狀態(tài)存儲(chǔ)。因而，F(xiàn)RAM具有與DRAM相似的讀取/寫入拜訪和周期時(shí)間，并且相對(duì)細(xì)巧。但是，與DRAM不同的是，F(xiàn)RAM對(duì)錯(cuò)易失性的，并且可以在體系斷電時(shí)，持續(xù)保存數(shù)據(jù)。相關(guān)于常常用于程序的非易失性閃存存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM速度更快，能耗更低，并且寫入的次數(shù)更多。因而，具有集成FRAM的MCU代表了ULP體系（比如無線傳感器節(jié)點(diǎn)）在節(jié)電方面的重要技能進(jìn)步。 閃存存儲(chǔ)器的一個(gè)問題就是其寫入所需求的相對(duì)較高的電壓電平（10至15V），有必要運(yùn)用電荷泵并且每次操作需求運(yùn)用很多電能。此外，閃存存儲(chǔ)器有必要在每次寫入前被擦除，這也是添加寫入操作復(fù)雜度，中斷體系運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)要素，通常情況下，在體系其余部分等待時(shí)會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和電能。最終，閃存存儲(chǔ)器具有大約10000的寫入操作限制次數(shù)，這個(gè)次數(shù)限制關(guān)于那些每隔一秒鐘到幾秒鐘就要對(duì)數(shù)據(jù)更新數(shù)次，并且需求天長(zhǎng)日久不斷進(jìn)行此類操作的體系來說是不夠的。雖然閃存常常用于程序存儲(chǔ)，但這些要素使其不能用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因而就有必要運(yùn)用易失性SRAM塊。體系斷電時(shí)，有必要將數(shù)據(jù)從SRAM寫入閃存來完成非易失性存儲(chǔ)，而在加電時(shí)，從閃存讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)到SRAM。 FRAM是一款真實(shí)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，其中的每個(gè)位可被獨(dú)自地讀取或?qū)懭耄⑶移渚哂幸粋€(gè)簡(jiǎn)略的、單步寫入過程，無需獨(dú)自的擦除操作。FRAM寫入只需1.5V電壓，這樣就不需求電荷泵了，并且也不會(huì)在擦除現(xiàn)有數(shù)據(jù)時(shí)中斷體系形成延遲。因而，F(xiàn)RAM寫入拜訪比閃存寫入快100倍，而FRAM的激活寫入所需能量比閃存少250倍。此外，對(duì)FRAM的寫入實(shí)際上是無限的—大約1015個(gè)寫入周期—這樣的話，在運(yùn)用存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)不會(huì)有任何困難。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可被統(tǒng)一為單個(gè)塊，并且可以根據(jù)使用的需求進(jìn)行分區(qū)。數(shù)據(jù)在斷電期間保存在存儲(chǔ)器中，然后使規(guī)劃人員不但免除了關(guān)于外部電荷泵的需求，并且也就不再需求大型電容器為其供電了。關(guān)于比如無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量收集體系，F(xiàn)RAM所具有的節(jié)電特性成為完成成功規(guī)劃的要害。 6納米級(jí)功率能量收集 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的成功規(guī)劃將有必要從環(huán)境能源中收集能量。電源子體系將有必要優(yōu)化太陽能、熱電、電磁和振動(dòng)源中發(fā)生的微瓦至毫瓦級(jí)功率，然后將提取的能量存儲(chǔ)器在鋰離子電池和超級(jí)電容器等元件中。TI的bq25504升壓充電器專門規(guī)劃用于這一級(jí)別的電源辦理，它特有低靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)化功率。最大功率點(diǎn)盯梢 (MPPT) 優(yōu)化了提取自DC收集器的能量，比如改變光照條件下的太陽能板，以及不同熱條件下的熱電發(fā)電機(jī) (TEG)。所發(fā)生的成果將是革命性的：在小型太陽能供電體系中，相關(guān)于線性穩(wěn)壓器，此類器材的運(yùn)用可以將可用收集能量添加30%，到達(dá)70%。這樣高的功率使得規(guī)劃人員可以從太陽能板和其它換能器中收集更多能量，然后以更低本錢完成愈加小型化的感測(cè)節(jié)點(diǎn)。 今日的無線公共事業(yè)儀表得益于TI在低功耗RF電路方面的專業(yè)知識(shí)，而同樣的技能也使用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)中。例如TI的CC2500和CC2520器材，是低本錢2.4GHz收發(fā)器，規(guī)劃用于極低功耗無線使用。此電路轉(zhuǎn)為2400至2483.5MHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）以及SRD（短程器材）頻帶而規(guī)劃。RF收發(fā)器與高度可裝備基帶調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器支持根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制格式。

 

 7WSN將使智能國(guó)際愈加智能 就像WSN可在大規(guī)模的環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)相同，針對(duì)體系輸入的感測(cè)元件也各有不同。關(guān)于特定使用，TI技能可以大大削減感測(cè)元件的尺寸和功耗。例如，公司的TMP006紅外MEMS溫度傳感器將功耗和尺寸削減了超越90%，然后使得廠商可以在受限區(qū)域內(nèi)，比如設(shè)備外殼內(nèi)，精確測(cè)量溫度。TI還供給比如高集成LMP91050無色散紅外氣體傳感器模擬前端 (AFE) 的傳感器AFE，可以完成用來檢測(cè)CO2和氟利昂等制冷劑的超細(xì)巧感測(cè)解決方案。TI在其它領(lǐng)域開宣布的感測(cè)技能，比如公司與汽車制造商聯(lián)合開宣布的技能，也會(huì)被采用，以滿足WSN的需求。 跟著智能電網(wǎng)的不斷推廣，隨處可見的用電設(shè)備間的智能通訊將會(huì)充滿其間：住宅、辦公室、工廠，乃至在戶外。此類設(shè)備和它們的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督外部條件并把其報(bào)告給中央體系的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后將本身的規(guī)模不斷擴(kuò)展，然后完成對(duì)非常廣大的區(qū)域的操控。 這些WSN的完成依賴于廉價(jià)、超低功耗組件的供貨情況，這些組件可以收集環(huán)境能量、感測(cè)本地條件、執(zhí)行必要的測(cè)量功用，并且定時(shí)經(jīng)過無線傳輸來發(fā)布信息。根據(jù)在無線公共事業(yè)儀表和其它使用方面堆集的經(jīng)歷，TI已經(jīng)開宣布這項(xiàng)技能，并且現(xiàn)在可以供給可以為多種使用完成“粘貼可用”傳感器節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品。在一定程度上，由于TI的這項(xiàng)技能，智能網(wǎng)絡(luò)正在擴(kuò)展現(xiàn)在智能國(guó)際的覆蓋規(guī)模。