CC BY
15
УДК 658.52
DOI 10.21685/2307-4205-2019-4-15
А. П. Адамов, А. А. Адамова, С. Г. Семенцов, А. Т. Темиров
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ТОКОПОТРЕБЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СЕНСОРА1
A. P. Adamov, A. A. Adamova, S. G. Sementsov, A. T. Temirov
IMPROVING THE RELIABILITY OF SENSOR NETWORK ELEMENTS BY REDUCING CURRENT CONSUMPTION THE SENSING ELEMENT OF THE SENSOR
Аннотация. Актуальность и цели. Энергопотребление сенсорного узла, работающего в режиме регистрации событий, в основном определяется потреблением чувствительного элемента сенсора. В этой связи разработка методов снижения энегопотребления чувствительного элемента является актуальной задачей. Материалы и методы. В существующих технических решениях чувствительных элементов на базе измерительного моста задается измерительный ток, который и определяет чувствительность моста. При снижении измерительного тока пропорционально падает чувствительность моста, что предполагает введение дополнительных усилительных элементов на базе операционных усилителей. Результаты. Предложенная методика снижения энергопотребления чувствительного элемента сенсора может быть применена для сенсоров различных физических величин, функционирующих на основе измерительного моста с заданным измерительным током. Выводы. Снижение энергопотребления чувствительного элемента позволяет значительно увеличить срок службы сенсорного узла и повысить надежность регистрации событий в беспроводных сенсорных сетях.
Ключевые слова: беспроводные сенсорные сети, тен-зочувствительный элемент, энергоэффективность.
Abstract. Background. The energy consumption of the sensor node operating in the event registration mode is mainly determined by the consumption of the sensor sensor element. In this regard, the development of methods for reducing the energy consumption of a sensitive element is an urgent task. Materials and methods. In existing technical solutions of sensitive elements on the basis of the measuring bridge, a measuring current is set, which determines the sensitivity of the bridge. With a decrease in the measuring current, the bridge sensitivity proportionally decreases, which implies the introduction of additional amplifier elements based on operational amplifiers. Results. The proposed technique for reducing the energy consumption of the sensor element can be applied to sensors of various physical quantities, operating on the basis of a measuring bridge with a given measuring current. Conclusions. Reducing the energy consumption of the sensor can significantly increase the life of the sensor node and increase the reliability of event recording in wireless sensor networks.
Keywords: wireless sensor networks, strain gauge element, energy efficiency.
Введение
С развитием беспроводных сенсорных сетей (БСС) все более актуальной является задача обеспечения их энергоэффективности. Энергоэффективность сенсорных узлов при заданной емкости источника питания определяет срок службы сети и надежность регистрации событий сенсорной сетью.
Суммарное энергопотребление сенсора складывается из потребления различных подсистем в различных режимах (рис. 1) [1]. На обслуживание чувствительного элемента расходуется примерно 4 % от суммарного энергопотребления сенсора. В то же время 90 % энергии расходуется на организацию радиосвязи в режиме приема/передачи.
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке по Гранту РФФИ №17-07-00689.
© Адамов А. П., Адамова А. А., Семенцов С. Г., Темиров А. Т., 2019
Рис. 1. Распределение потребления энергии различными элементами сенсора
Периодический режим работы сенсорной сети, например при активации сенсора на основе события, предполагает, что в режиме ожидания сенсоры потребляют минимальную энергию, необходимую лишь для обслуживания чувствительного элемента сенсора. Радиомодуль активируется только при регистрации некоторого события, требующего передачи данных.
В то же время эта энергия в отличие от радиомодуля потребляется непрерывно, что обусловливает существенный вклад токопотребления чувствительного элемента в общую энергоэффективность сенсора.
В последние годы в литературе исследовались различные аспекты обеспечения энергоэффективности БСС, от динамической организации топологии сети до оптимального режима работы модуля приемопередатчика каждого сенсора [2-4]. В то же время в этих работах недостаточно полно исследована возможность снижения потребления энергии непосредственно чувствительным элементом сенсора.
Рассмотрим основные причины потерь энергии в чувствительном элементе сенсора и пути их устранения. В качестве объекта исследования выберем чувствительные элементы современных сенсоров давления, выполненных на базе кремниевой технологии [5-8].
В подобных сенсорах давления тензочувствительный резистивный мост, образованный кремниевыми элементами, как правило, подключается либо непосредственно к источнику питания, либо через диод, образованный переходом база-эмиттер транзистора (рис. 2) [9].
Рис. 2. Топология чувствительного элемента с питанием от источника напряжения
В такой конфигурации ток через измерительный мост определяется напряжением питания моста и сопротивлением тензорезисторов. При напряжении питания моста в 3-5 В и сопротивлении тензорезисторов 4,7 кОм ток моста равен около 0,5-1 мА. При таком измерительном токе макси-
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
№ 4 (28), 2019
мальное выходное напряжение тензомоста при максимальной деформации мембраны в большинстве случаев составляет 50-80 мВ, что вполне достаточно для работы специализированного контроллера, осуществляющего линеаризацию и компенсацию влияния температуры [10].
С другой стороны, измерительный ток в 1 мА приведет к значительному снижению срока службы неперезаряжаемого источника питания беспроводного сенсора. Таким образом, для повышения энергоэффективности сенсорного узла необходимо решение задачи уменьшения тока при заданном выходном напряжении измерительного тензомоста.
Значительно более широкие возможности конфигурирования измерительного тока имеет топология чувствительного элемента с транзисторным источником тока (рис. 3) [11].
Рис. 3. Топология чувствительного элемента с питанием от источника тока
В данной топологии ток измерительного моста задается с помощью делителя, задающего базовый ток транзистора. Такая топология позволяет регулировать ток тензомоста в широких пределах. В то же время она обладает существенным недостатком - в области малых токов из-за снижения крутизны транзистора ток делителя может значительно превышать ток через транзистор. Например, на рис. 3 ток транзистора равен 74 мкА при токе делителя 200 мкА.
Для решения этой задачи может быть использована топология с одним токозадающим резистором, определяющим ток базы транзистора при заданном напряжении питания (рис. 4).
Рис. 4. Топология чувствительного элемента с ограничением тока базы
Такая схема позволяет с помощью базового резистора регулировать в широких пределах ток измерительного тензомоста и избежать роста относительного тока делителя в области малых токов транзистора.
В данном примере задан ток измерительного тензомоста в 1 мкА, что при заданных номиналах тензорезисторов обеспечит максимальное выходное напряжение тензомоста 60 мкВ. Такой размах напряжения недостаточен для совместной работы с линеаризирующими контроллерами и требует применения дополнительного каскада с коэффициентом усиления по напряжению около 60 дБ.
Такой каскад может быть выполнен на современных микромощных rail-to-rail операционных усилителях (ОУ) с наноамперным потреблением и полевым входом, обеспечивающим высокое входное сопротивление. В качестве примера таких ОУ можно привести MAX40007 фирмы Maxim Integrated, TSU101 фирмы STMicroelectronics, LPV811 и LPV521 фирмы Texas Instruments.
Топология такого чувствительного элемента приведена на рис. 5.
Рис. 5. Топология чувствительного элемента с дифференциальным усилителем на базе ОУ с нанопотреблением
Резистор R30 выполняет в данном случае функцию «подтяжки» статического выходного напряжения тензомоста до уровня около 1В для линеаризации работы ОУ с однополярным питанием.
Однополярное питание накладывает ряд ограничений, связанных со спецификой работы ОУ. В таком режиме существенно снижается коэффициент усиления в области малых напряжений, что снижает линейность тензомоста. В то же время режим регистрации событий предполагает, что сенсор должен регистрировать напряжение выше некоторого порога. Правильный выбор этого порога, исходя из чувствительности тензомоста, позволяет минимизировать влияние этой нелинейности.
Заключение
Предложенный метод ограничения тока измерительного тензомоста позволяет существенно продлить срок службы беспроводного сенсора с неперезаряжаемым источником питания. При использовании специализированных rail-to-rail операционных усилителей с наноамперным потреблением такой подход применим к любым измерительным мостам, требующим заданный измерительный ток. Допустимое снижение измерительного тока и соответствующее снижение выходного напряжения моста в данном случае определяются лишь линейностью используемого дополнительного операционного усилителя при высоких коэффициентах усиления (60-90 дБ).
Библиографический список
1. Адамов, А. П. Классификация состояний беспроводной сенсорной сети с использованием методов машинного обучения / А. П. Адамов, А. А. Адамова, М. Н. Юлдашев // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - № 2. - С. 248-251.
2. Akyildiz, I. F. Wireless sensor networks: a survey / I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci // Computer Networks. - 2002. - Vol. 38 (4). - P. 393-422.
3. Нестеров, В. А. Интеллектуальный датчик давления на основе моста Уинстона / В. А. Нестеров, А. В. Однокольцев, К. А. Андреев // Молодежный научно-технический вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. -2012. - № 10.
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО СЛОЖНЫХ СИСТЕМ № 4 (28), 2019
4. Fodor, V. Detecting low-power primary signals via distributed sensing to support opportunistic spectrum access / V. Fodor, I. Glaropoulos, L. Pescosolido // Proceedings of IEEE ICC'09. - Dresden, Germany, 2009.
5. VigilNet: an integrated sensor network system for energy-efficient surveillance / T. He, S. Krishnamurthy, J. A. Stankovic, T. Abdelzaher, L. Luo, R. Stoleru, T. Yan, L. Gu, G. Zhou, J. Hui and B. Krogh // ACM Transactions on Sensor Networks. - 2006. - Vol. 2 (1). - Р. 1-38.
6. Jaikaeo, C. Diagnosis of sensor networks / C. Jaikaeo, C. Srisathapornphat, C. Shen // In Proceedings of IEEE ICC'01. - Helsinki, Finland, 2001. - Vol. 5. - P. 1627-1632.
7. Design and deployment of industrial sensor networks: experiences from a semiconductor plant and the North Sea / L. Krishnamurthy, R. Adler, P. Buonadonna, J. Chhabra, M. Flanigan, N. Kushalnagar, L. Nachman, M. Yarvis // Proceedings of SenSys'05. - San Diego, CA, USA, 2005. - P. 64-75.
8. Адамов, А. П. Системный анализ в управлении предпринимательскими организациями / А. П. Адамов, А. А. Адамова, М. А. Сенькина, И. Т. Исмаилова ; под общ. ред. А. П. Адамова. - Санкт-Петербург : Политехника, 2002. - 251 с.
9. Юлдашев, М. Н. Классификация состояний беспроводной сенсорной сети с использованием методов машинного обучения / М. Н. Юлдашев, А. П. Адамов, А. А. Адамова // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - № 2. - С. 248-251.
10. Власов, А. И. Гауссовские процессы в регрессионном анализе состояний беспроводной сенсорной сети с учетом электромагнитных помех / А. И. Власов, М. Н. Юлдашев // Технологии электромагнитной совместимости. - 2017. - № 3 (62). - С. 35-38.
11. Адамов, А. П. Методологическиеосновы обеспечения технологичности электронных средств / А. П. Адамов, Г. Х. Ирзаев, А. А. Адамова. - Санкт-Петербург : Политехника, 2008. - 312 с.
References
1. Adamov A. P., Adamova A. A., Yuldashev M. N. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nano-elektronnykh sistem (MES) [Problems of developing advanced micro-and nanoelectronic systems (MNS)]. 2016, no. 2, pp. 248-251. [In Russian]
2. Akyildiz I. F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Computer Networks. 2002, vol. 38 (4), pp. 393-422.
3. Nesterov V. A., Odnokol'tsev A. V., Andreev K. A. Molodezhnyy nauchno-tekhnicheskiy vestnik MGTU im. N. E. Baumana [Youth scientific and technical Bulletin of the Bauman MSTU]. N. E. Bauman]. 2012, no. 10. [In Russian]
4. Fodor V., Glaropoulos I., Pescosolido L. Proceedings of IEEE ICC'09. Dresden, Germany, 2009.
5. He T., Krishnamurthy S., Stankovic J. A., Abdelzaher T., Luo L., Stoleru R., Yan T., Gu L., Zhou G., Hui J. and Krogh B. ACM Transactions on Sensor Networks. 2006, vol. 2 (1), pp. 1-38.
6. Jaikaeo C., Srisathapornphat C., Shen C. In Proceedings of IEEE ICC'01. Helsinki, Finland, 2001, vol. 5, pp. 1627-1632.
7. Krishnamurthy L., Adler R., Buonadonna P., Chhabra J., Flanigan M., Kushalnagar N., Nachman L., Yarvis M. Proceedings of SenSys'05. San Diego, CA, USA, 2005, pp. 64-75.
8. Adamov A. P., Adamova A. A., Sen'kina M. A., Ismailova I. T. Sistemnyy analiz v upravlenii predprini-matel'skimi organizatsiyami [System analysis in the management of business organizations]. Saint-Petersburg: Po-litekhnika, 2002, 251 p. [In Russian]
9. Yuldashev M. N., Adamov A. P., Adamova A. A. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nano-elektronnykh sistem (MES) [Problems of developing advanced micro-and nanoelectronic systems (MNS)]. 2016, no. 2, pp. 248-251. [In Russian]
10. Vlasov A. I., Yuldashev M. N. Tekhnologii elektromagnitnoy sovmestimosti [Electromagnetic compatibility technologies]. 2017, no. 3 (62), pp. 35-38. [In Russian]
11. Adamov A. P., Irzaev G. Kh., Adamova A. A. Metodologicheskieosnovy obespecheniya tekhnologichnosti el-ektronnykh sredstv [Methodological bases for ensuring the manufacturability of electronic tools]. Saint-Petersburg: Politekhnika, 2008, 312 p. [In Russian]
Адамов Александр Петрович
доктор технических наук, профессор, кафедра микроэлектроники, заслуженный деятель науки РД, Дагестанский государственный технический университет
(367026, Россия, г. Махачкала, ул. И. Шамиля, 70) E-mail: info@iu4.bmstu.ru
Adamov Aleksandr Petrovich
doctor of technical sciences, professor,
sub-department of microelectronics,
honored worker of science RD,
Dagestan State Technical University
(367026, 70 I. Shamil street, Makhachkala, Russia)
Адамова Арина Александровна
кандидат технических наук, доцент,
кафедра проектирования и технологии производства
электронной аппаратуры,
Московский государственный технический
университет им. Н. Э. Баумана
(105005, Россия, г. Москва, ул. 2-я Бауманская 5, стр. 1)
E-mail: arina.adamova@rambler.ru
Семенцов Станислав Григорьевич
доктор технических наук, профессор, кафедра проектирования и технологии производства электронной аппаратуры, Московский государственный технологический университет им. Н. Э. Баумана (105005, Россия, г. Москва, 2-я Бауманская, 5, стр. 1) E-mail: siemens_off@mail.ru
Темиров Алибулат Темирбекович
кандидат технических наук, доцент, декан факультета радиоэлектроники, телекоммуникаций и мультимедийных технологий, Дагестанский государственный технический университет
(367026, Россия, г. Махачкала, ул. И. Шамиля, 70) E-mail: ali.temirov@rambler.ru
Adamova Anna Alexandrovna
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of design and production technology of electronic equipment, Bauman Moscow State Technical University (105005, p. 1, 5 2nd Baumanskaya street, Moscow, Russia)
Sementsov Stanislav Grigorievich
doctor of technical sciences, professor, sub-department of design and production technology of electronic equipment,
Bauman Moscow State Technological University (105005, 1 b., 5 2-nd Baumanskay street, Moscow, Russia)
Temirov Alibulat Temirbekovich
candidate of technical sciences, associate professor, dean of the faculty of radioelectronics, telecommunications and multimedia technologies, Dagestan State Technical University (367026, 70 I. Shamil street, Makhachkala, Russia)
Образец цитирования:
Адамов, А. П. Повышение надежности элементов сенсорной сети за счет снижения токопотребления чувствительного элемента сенсора / А. П. Адамов, А. А. Адамова, С. Г. Семенцов, А. Т. Темиров // Надежность и качество сложных систем. - 2019. - № 4 (28). - С. 136-141. - БО! 10.21685/2307-4205-2019-4-15.
