In modernen Designs reicht eine Batteriezelle für langjährigen Betrieb

Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren

13. Mai 2006, 16:19 Uhr | Michel Chevroulet

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Der drahtlose Sensor-Knoten

Da die Sensor-Einheit das am häufigsten vorkommende Element im Netzwerk ist, müssen die Kosten dieser Komponente an erster Stelle optimiert werden. Da es sich außerdem um das mobilste Element handelt, sind Größe und Gewicht ebenfalls von Bedeutung. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Funk-Sensors.

Messwertaufnehmer und Signalaufbereitung
Der Messwertaufnehmer – also jenes Element, das die zu messende Größe in ein elektrisches Signal verwandelt – fungiert gewissermaßen als Front-End des gesamten Systems. Durch ein gutes Management dieses Teils lässt sich eine beträchtliche Energieersparnis erreichen.

Die zum Messen von Kräften und Drücken verwendeten Brückenschaltungen lassen sich bei Nichtgebrauch abschalten, um Strom zu sparen. Durch die Beschränkung auf sehr kurze Ein-Intervalle lässt sich die mittlere Stromaufnahme zweifellos reduzieren, doch sind negative Auswirkungen auf die eigentliche Messung nicht auszuschließen (fehlende Aufwärmzeit, parasitäre Kapazitäten). Die unter Umständen mehrere mA betragende Spitzen-Stromaufnahme von Messbrücken kann zudem durch den Einsatz von Brückenschaltungen mit hohem Widerstand herabgesetzt werden.

Das Abfragen eines kapazitiven Sensors, wie er beispielsweise zu Feuchtigkeitsmessungen herangezogen wird, erfordert ein Wechselstromsignal. Besonders gut sind hierfür CMOS-Schaltungen geeignet, die wegen ihrer hinreichenden Eingangsimpedanz als Ladungs-Integratoren eingesetzt werden können.

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Bild 2. Prinzipieller Aufbau eines Funk-Sensors.

Konventionelle Implementierungen drahtloser Sensor-Netzwerke basieren auf mehreren Boards, die jeweils für bestimmte Funktionen vorgesehen sind (z.B. Datenerfassungs-, Hauptprozessor- und Funk-Platine). Zu den Nachteilen dieses Konzepts gehören der große Platz- und Energiebedarf sowie die hohen Kosten.

Die Unterbringung aller genannten Funktionen auf einer einzigen, mit mehreren Chips bestückten Leiterplatte (Bild 5) ist der erste Schritt in Richtung einer besseren Alternative. Durch die Auswahl Strom sparender Datenerfassungs-, Verarbeitungs- und Funk-Chips lässt sich ein recht attraktives Komplettmodul realisieren, das über lange Zeit hinweg mit einer einzigen Batterie auskommt. Die kompakteste und kostengünstigste Lösung wird jedoch erreicht, wenn die gesamte Elektronik in einen einzigen Halbleiterchip integriert ist (Blockschaltung in Bild 6). Hier reicht als Stromversorgung eine einzige Alkali-Batterie. Die Tabelle 2 zeigt zusätzlich den Vergleich traditioneller Zwei-Chip-Technik mit der neuen Single-Chip-Technik.

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Bild 5. Aus zwei Funktionsgruppen bestehender Single-Board-Funksensor- und Relais-Knoten. Im Vordergrund das HF-Teil, in der Mitte der Controller und die Zeitsteuerung. Auf der Platinenrückseite befindet sich eine AA-Lithiumbatterie.
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  1. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  2. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  3. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  4. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  5. Der drahtlose Sensor-Knoten
  6. Was ist machbar?