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用物联网器件改进数据记录技术

时间:2016-09-20 阅读:
现在,以不断发展的物联网(IoT)运动为目标的产品正在逐渐融入下一代数据记录设备。事实上,你可以将数据记录定义为巨大的工业物联网市场的一个细分市场。本文将回顾数据记录的基本原理,并介绍适合物联网应用的一些新设备例子。
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用于监视和记录事件的数据记录设备并不新鲜。事实上,各种形式的数据记录设备可以追溯到几十年前。最早的数据记录过程是人工记录传感器的读数,然后绘制在坐标纸上。纸带记录仪是接下来推出的产品;它们用墨水将传感器读数绘制到印刷图纸上。今天,实际上所有的数据记录都已实现了电子化。Tl8EETC-电子工程专辑

多年来创新的电子产品发展已经极大地提升了数据记录技术。现在,以不断发展的物联网(IoT)运动为目标的产品正在逐渐融入下一代数据记录设备。事实上,你可以将数据记录定义为巨大的工业物联网市场的一个细分市场。本文将回顾数据记录的基本原理,并介绍适合物联网应用的一些新设备例子。Tl8EETC-电子工程专辑

数据记录基础

数据记录是监视各种物理状态并在一段较长时间内持续记录的过程。记录的数据可以在日后进行评估、检查和分析。不要把数据记录和数据采集搞混。虽然数据记录是一种数据采集过程,但它使用更低的采样率(秒、分钟、小时甚至天)。数据采集系统一般以较高的速度(kS/s、MS/s、GS/s)采样数据,主要用于实时监测、分析和记录。Tl8EETC-电子工程专辑

一些典型的被监视物理特征包括:温度(最常见);湿度;压力;液体流量或液位;机械位置;应变;负载;振动;亮度水平;电流、电压或功率;事件发生;风速;使用时间;以及其它。
有数千种不同的传感器类型可以用于监视几乎任何物理特征。许多较新的传感器采用模数转换器(ADC)提供数字输出。Tl8EETC-电子工程专辑

数据记录仪有很多种形式,但一般来说可以分成4种基本类型:Tl8EETC-电子工程专辑

• 独立型:通常这是电池供电的小型设备,可能使用单个传感器或多个传感器。这些传感器信号经过调理、采样和多路复用之后发送给模数转换器(ADC),然后存储在闪存中。带有合适软件的嵌入式微控制器会自动控制整个过程。数据接着通常由USB端口收集,再转发给PC进行显示、分析或更永久的存储。这些设备的电池寿命都很长,从几个月到几年时间不等。Tl8EETC-电子工程专辑

• PC型:在基于PC的系统中,传感器给直接连接到PC的数据记录模块馈入数据。PC上的软件控制整个操作过程。PC系统之所以适用是因为它有额外的软件,能够随着传感器数据的更新提供实时显示和可视化图形,并在需要时提供即时的数据分析、大容量的数据存储以及到网络的通信链路。Tl8EETC-电子工程专辑

• 网络型:基于网络的系统既可以是独立的也可以是受PC控制的。它通过有线网络或无线网络连接互联网。数据被发送到远程安全服务器,并存储在那里,供日后评估和进一步处理。Tl8EETC-电子工程专辑

• 无线型:无线数据记录仪使用某种无线技术将数据传送到一个站点,在这个站汇聚后再根据具体应用要求投入使用。大多数无线数据记录仪是独立型的。它们有许多无线技术可供选择,包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、ISM频段、NFC和蜂窝(M2M)等等。图1显示了一种典型的数据记录仪配置。Tl8EETC-电子工程专辑

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图1:数据记录仪中的MCU通常集成有ADC和多路复用器。某些类型的传感器还会集成信号调理电路和ADC,并使用I2C接口。注意连接到读数器的无线链路。Tl8EETC-电子工程专辑

数据记录应用

数据记录比你想象的更常见。下面是说明其用途的一些例子:Tl8EETC-电子工程专辑

• 大多数汽车和卡车上的板载诊断(ODB)端口不仅可以用数据记录仪进行故障诊断,还可以用其监视关键的车辆性能参数。一个小型的数据记录仪可以插入到方向盘附近的仪表板下面的ODB端口连接器,用于捕捉汽车使用情况、速度、启停、位置、刹车、加速和其它驾驶行为。保险公司可以使用ODB数据记录仪确定志愿用户的费率。Tl8EETC-电子工程专辑

• 气象站是一种重要的数据记录仪。美国气象服务以及州和当地政府支持许多先进的气象站,这些气象站收集数据用于记录和预测目的。Tl8EETC-电子工程专辑

• 环境监视是另外一种类似的应用。这种数据记录仪可以确定污染物水平、过敏源和相关参数,看是否符合监管要求,并提供消费者报告。Tl8EETC-电子工程专辑

• 被称为飞行数据记录仪的飞机黑盒子(实际上是橙色的)是一种坚固复杂的数据记录仪。这种设备是确定飞行事故原因和诊断其它飞行问题的重要部件。Tl8EETC-电子工程专辑

• 医院中的医疗数据记录仪用于收集一段时间内的病人数据供日后分析。电池供电的便携式数据记录仪可以用来监视病人在平时生活中的一些关键生命体征。Tl8EETC-电子工程专辑

• 汽车测试是数据记录仪的另外一种常见用途。在汽车经历必要的性能或环境条件测试过程中,会有很多参数被监视和记录。Tl8EETC-电子工程专辑

• 过程监视在工厂和车间中非常有用,可以用来记录机器或系统的使用情况,便于维护和故障排除。Tl8EETC-电子工程专辑

• 道路监视数据记录仪用来收集有关交通情况的数据,比如车辆通过数、速度、道路条件(潮湿、结冰等)以及交通阻塞。Tl8EETC-电子工程专辑

• 农业监视可以帮助农民持续收集温度、土壤水分、湿度和其它关键参数的数据,用于改进农作物的产量、生存条件和质量。Tl8EETC-电子工程专辑

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图2:冷链流程显示从农场的食物来源一直到零食商店的温度必须如何保持。Tl8EETC-电子工程专辑

• 冷链监视是另一种有趣的和有用的数据记录用途。冷链管理也是一种资产跟踪,有助于确保产品温度保持在理想或更低的温度以避免变质。这种数据记录仪很重要,尤其是在食物和医药领域,以及像食品店、医院、制药厂、运输和仓库等许多行业(图2)。就拿在田间收集的水果或蔬菜来说吧。它们的温度不应该太高,以免腐败变质,因此需要在多次转运、处理和存储过程中时刻监视温度。至于制药,温度监视也很关键,而湿度和光照也是保持质量不变的重要因素。Tl8EETC-电子工程专辑

用于数据记录仪设计的物联网产品

像传感器、微控制器和无线集成电路等物联网产品都是开发更高效的数据记录仪的理想之选。毕竟大多数数据记录是另一种形式的更大的物联网监视、记录和控制过程。物联网产品更小、更便宜,消耗更低的功率,并且拥有越来越强大的运算能力。这点在目前市场上多种新型的无线芯片和模块中可以见证,大多数这些产品都实现了Wi-Fi、蓝牙或ZigBee网络。然而,像近场通信(NFC)等其它无线标准也会集成在一起。Tl8EETC-电子工程专辑

传感器是数据记录仪和其它物联网应用的输入装置——传感器越好,测量的质量就越高。精密和准确的传感器通常体积较大也较昂贵,但一些更小更便宜的新型半导体传感器正在进入市场。
比如湿度传感器。为了达到想要的精度,设计师通常选择模拟传感器(如电阻温度检测器RTD、热敏电阻或热电偶)。RTD和热电偶都很贵,但为了达到应用要求的精度而不得不使用。此外,这些传感器都要求专门的信号调节电路。当然在此基础上,你还需要一个ADC、一个复用器与多个传感器。Tl8EETC-电子工程专辑

一些模拟的温度半导体传感器已经推出好多年了。然而,它们无法提供某些应用需要的精度,仍然需要信号调节电路。今天,市场上已经有各种新的数字传感器,它们都集成了板载信号调节功能和ADC,包括温度传感器以及湿度、光线强度、流量、压力等传感器。这些更新的传感器消耗非常低的功率,一般都用I2C或其它串行接口方便地连接微控制器。这种传感器可以提高数据记录仪的精度,并降低它们的成本。Tl8EETC-电子工程专辑

关键元器件

可供记录仪选用的微控制器种类有很多。对大多数设计来说,16位器件就足够了,但今天可以花合理的价格买到多种32位处理器。其中一个关键要求是很低的功耗和I/O。处理器应该能够提供最小功耗的初始状态,并最好具有多种睡眠模式。板载定时器也是很有用的编程帮手。用于提供时间和所收集数据时间戳的实时时钟也是一种资产。Tl8EETC-电子工程专辑

不要忘了存储器!一些非易失性的低功耗闪存或铁电FRAM存储器是大多数设计的要求。Tl8EETC-电子工程专辑

I/O是另外一个重要的考虑因素,比如为了匹配传感器和其它外设而选择的串行接口。I2C非常流行,但较老的RS-232 UART接口和其它接口仍在使用。SPI和USB是很有吸引力的另外一些选择。需要重申的是,不要忘了ADC和可能用到的复用器。Tl8EETC-电子工程专辑

许多独立的数据记录仪使用无线连接。如前所述,主要选择是Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、ISM频段和NFC。针对一些特殊安全也可以实现其它选项,但这里列出来的这些技术基本覆盖了90%的需求。
一般来说,连接选择取决于环境。如果附近有接入点,那么Wi-Fi是很有用的。直接接入Wi-Fi可以与笔记本电脑或平板电脑一起使用,实现偶发的数据下载。蓝牙也是如此,因为它能使智能手机接入成为可能。如果实现了网状网络,那么ZigBee就是一种很好的选择。至于远程控制,可以使用ISM频段的无线技术(< 1 GHz)。与其它无线技术相比,它们更低的频率(比如902-928MHz)可以覆盖更长的距离(许多公里)。蜂窝是另外一种选择;主要运营商提供的M2M服务可以用于距离长、又有蜂窝网络的条件下。Tl8EETC-电子工程专辑

NFC对数据记录仪来说是一种有趣的选择,因为它的通信距离短。符合第四类标签平台和ISO/IEC 1443B射频接口规范的NFC/RFID标签或换能器可用于冷链监视等应用。处理器被设为读写NFC数据交换格式(NDEF)的消息,实现配置和控制。Tl8EETC-电子工程专辑

这种13.56MHz的无线技术通信距离一般不到一英尺,因此限制了标签与接近读数器的通信。具有NFC功能的智能手机、平板电脑和笔记本电脑借助合适的应用软件可以成为便利的读数器。还可以使用专门的读数器。此外,NFC连接可以与采用更长距离的Wi-Fi或蓝牙无线技术的另外一台设备配对使用。Tl8EETC-电子工程专辑

再仔细了解一下以物联网应用为目标的其它设备,同时不要忽视开发系统软件和参考设计,它们可以方便和缩短设计过程。Tl8EETC-电子工程专辑

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