物联网传感器、端点与通信系统的电源及通信原理

### 物联网传感器、端点、电源系统及通信理论解析 #### 1. 电源系统选择 在物联网部署中，选择合适的电源系统至关重要。不同的电源类型具有各自的特点和适用场景。 - **超级电容（Supercaps）**：在预测剩余供电时间方面，超级电容比电池更具优势。可以通过随时间变化的端电压来预测剩余能量。然而，超级电容也存在一些问题，主要是漏电流和成本。它常与普通电池组成混合解决方案，为设备提供瞬时功率，例如用于电动汽车加速，而电池则持续提供运行功率。 - **锂离子电池（Li - ion Battery）**：锂离子电池从充满电到放电的能量曲线较为平坦，这使得时间估计变得困难。其容量在100 - 1000次充放电循环后会下降。 以下是锂离子电池和超级电容的详细对比表格： | 类别 | 锂离子电池 | 超级电容 | | --- | --- | --- | | 能量密度（Wh/kg） | 200 | 8 - 10 | | 充放电循环 | 100 - 1000次循环后容量下降 | 近乎无限 | | 充放电时间 | 1 - 10小时 | 毫秒到秒 | | 工作温度 | -20°C 到 +65°C | -40°C 到 +85°C | | 工作电压 | 1.2 V 到 4.2 V | 1 V 到 3 V | | 功率输出 | 随时间电压恒定 | 线性或指数衰减 | | 充电速率 | （非常慢）40 C/x | （非常快）1500 C/x | | 使用寿命 | 0.5 - 5年 | 5 - 20年 | | 外形尺寸 | 非常小 | 大 | | 成本（$/kWh） | 低（$250 - $1000） | 高（$10,000） | - **放射性电源（Radioactive power sources）**：具有高能量密度（10⁵ kJ/cm³）的放射源，可通过发射粒子的动能产生热能。例如铯 - 137，半衰期为30年，功率容量为0.015 W/gm。这种方法可产生瓦到千瓦级的功率，但在物联网低功率传感器层面不太实用。不过，使用MEMS压电电子学捕获电子并驱动微电枢运动的技术有一定发展前景，可产生机械能用于能量收集。放射性衰变的一个次要影响是功率密度相对较弱，半衰期长的放射源功率密度更低，因此适合为超级电容大量充电，在需要时提供瞬时能量。但放射性源的一个主要问题是需要大量的铅屏蔽，铯 - 137每瓦需要80毫米的屏蔽层，这会显著增加物联网传感器的成本和重量。 #### 2. 通信理论基础 物联网不仅仅是传感器数据的简单收集，还需要将传感器数据从地球最偏远的地方传输到云端。在这个过程中，涉及到众多的技术和数据路径，因此理解通信理论对于架构师来说至关重要。 - **RF能量与理论传输范围**：在讨论无线个人区域网络或任何RF无线协议时，传输范围是一个重要的考虑因素。不同的协议会以传输范围、速度和功率作为差异化竞争点。传输范围取决于发射天线和接收天线之间的距离、传输频率和传输功率。 - **理想传输情况**：在无无线电信号干扰的区域，无遮挡的视线传输是RF传输的最佳形式。但在现实世界中，存在障碍物、信号反射、多个无线RF信号和噪声等因素，这种理想模型很难实现。 - **不同频率信号对比**：以900 MHz和2.4 GHz信号为例，通过计算不同频率下信号波长的衰减函数，可以了解不同距离下的信号强度。900 MHz信号在10米处的损耗为51.5 dB，而2.4 GHz信号在10米处的损耗为60.0 dB。一般来说，900 MHz信号的传输距离约为2.4 GHz信号的2.67倍，且900 MHz信号波长为333毫米，相比2.4 GHz信号的125毫米波长，具有更好的穿透能力，受散射影响较小。不过，2.4 GHz信号的优势在于其数据带宽可达900 MHz信号的五倍，且天线可以更小，同时该频段在多个国家无需授权即可使用。 以下是900 MHz和2.4 GHz信号的对比表格： | 特性 | 900 MHz | 2.4 GHz | | --- | --- | --- | | 信号强度 | 通常可靠 | 频段拥挤，易受干扰 | | 传输距离 | 比2.4 GHz远2.67倍 | 较短，但可通过改进编码（如蓝牙5）补偿 | | 穿透能力 | 长波长可穿透大多数材料和植被 | 可能与某些建筑材料产生干扰 | | 数据速率 | 有限 | 比90