創(chuàng)新的低功耗能量采集傳感器方案

　　智能環(huán)境代表了家庭自動化和樓宇自動化的未來。各種傳感器、控制器和執(zhí)行器分布在整個環(huán)境中，并發(fā)揮多種作用。這種分布也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，每個傳感器都需要有自己的電源。監(jiān)視電池的低電量狀態(tài)是一項標準操作。但是，更換電池需要人工輔助。本文提出了一種低功耗能量采集傳感器的實現(xiàn)方案。當傳感器需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)或執(zhí)行連續(xù)測量時，能量采集供電的無線傳感器更為適合。采用能量采集供電的傳感器可在數(shù)年內(nèi)完全免維護，而電池供電的傳感器在幾個月內(nèi)就會耗盡電量。

　　如今的無線傳感器實現(xiàn)方案五花八門。但是，此類系統(tǒng)的總成本不僅僅取決于硬件。實施不同行業(yè)標準的成本也會增加總成本。這不僅包括附加的軟硬件要求，還包括不甚明顯的項目，如認證(例如ZigBee?和Bluetooth? 4.0)，甚至可能涉及版稅。

　　本文提出了一些簡單的低功耗能量采集技術(shù)，可用于實現(xiàn)免維護的無線傳感器。此外，本文還將展示如何在提供穩(wěn)固性能的同時保持較低的總成本，特別是在經(jīng)濟高效的無線網(wǎng)絡領域。

　　能量采集原理

　　能量采集系統(tǒng)的基本原理是存儲能量(無論是使用鎳氫電池之類的可充電電池還是使用超級電容)供將來需要時使用。除此之外，能量采集無線傳感器基本上與電池供電的傳感器相同。主要的區(qū)別在于(非充電式)電池供電的無線傳感器設計為使用電池工作特定一段時間。能量采集傳感器節(jié)點的優(yōu)勢是，可以無限采集能量供將來使用。通常情況下，它能夠采集的能量非常有限(受價格和/或物理尺寸限制)。因此，必須對無線發(fā)送器和傳感器本身的能源使用加以平衡，以減少對采集能量的使用。

　　不同的能量采集設備

　　目前，市場上有多種不同的能量采集設備可選。最常用的設備為太陽能電池板。它有著不同的尺寸，從串聯(lián)和/或并聯(lián)多個太陽能電池的大型電池板，到用于手持式計算器或玩具的超小型電池。

　　另一種類型的設備是RF采集設備。此設備使用天線接收無線電波，然后將其轉(zhuǎn)換為電能。這是一種非常特別的能量采集設備，因為它需要高RF能量。機電能量采集設備通常在電感線圈附近使用磁性運動部件。熱電能量采集設備可通過溫度梯度產(chǎn)生少量電能。這類熱能設備依賴于塞貝克效應。

　　是否實施無線標準

　　當添加無線功能時，一些缺乏經(jīng)驗的用戶往往只會想到實施RF行業(yè)標準，如ZigBee或Bluetooth.但是，根據(jù)實際的應用需求，實施特定標準可能是實際要求，也可能不是。一般來說，僅當最終產(chǎn)品必須與市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品兼容時，才需要實施特定標準。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品(由其他公司銷售)兼容，實際上是一個更復雜的商業(yè)決策。需要權(quán)衡是否提供兼容性。此外，在一些情況下必須提供兼容性(如用于手機的無線耳機)，而另外一些情況下無法添加兼容性或者添加成本過高(如簡單的IR遙控)。

　　實施標準的額外成本

　　很多時候，當考慮實施特定RF標準時，設計人員僅看到總體硬件成本。這通常是考慮硬件解決方案時的主要出發(fā)點。任何RF發(fā)送器(正式名稱為“有意輻射體”)都需要認證。非RF發(fā)送器仍需要FCC或CE認證。但是，其認證操作相對比較簡單且便宜。對于任何無線傳感器來說，F(xiàn)CC認證都是不可避免的。因此，當比較不同的解決方案時，將不考慮這部分成本。

　　根據(jù)實施的無線標準，總實施成本可能遠超最初預期的成本。實施特定標準的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格(年費)、標準合規(guī)性測試、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項目。ZigBee認證的成本約為3000美元，而這只是認證本身的費用。但實際上，在申請認證之前，還需要執(zhí)行一些特定的預測試并評估設備是否能通過認證。專用測試設備的租金為每月750美元。

　　初看之下，這些額外成本可能不是很高。但是，多次采用特定標準需要支付會員費用。還可能需要支付版稅(每芯片)。RF標準認證成本將始終轉(zhuǎn)換為額外的成本和延期，直到產(chǎn)品發(fā)布。

　　硬件本身的單位成本通常在1至1.5美元(1萬件)范圍內(nèi)。僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品時，上述所有成本都將影響單位總成本。如果我們僅考慮10,000美元的FCC認證成本，那么單位價格實際將翻一倍。RF標準認證的成本(認證成本本身、預測試和RF測試設備)可以很容易超過10,000美元。

　　最低硬件要求

　　特定的無線標準需要使用專用芯片(如IEEE 802.15.4)。但是，如果您只需要進行單向通信，那么簡單的ISM頻段發(fā)送器就完美適合應用。但是，能量采集無線傳感器節(jié)點還有一些最低要求。建議采用高數(shù)據(jù)速率。一般來說，數(shù)據(jù)速率越高，需要的功率就越多。但總數(shù)據(jù)包長度會小很多，因此能量消耗會降低。可以使用ASK(OOK)或FSK調(diào)制。ASK調(diào)制(和OOK)的能量消耗較低，因為在工作的某些時期RF功率較低(OOK甚至具有完全不消耗RF功率的時期)。ASK的總平均電流消耗會更低。不過，F(xiàn)SK仍為首選，因為它可以達到更高的數(shù)據(jù)速率。例如，Microchip的具有集成發(fā)送器的PIC12LF1840T48A MCU在OOK模式下支持10 kbps,而在FSK模式下支持100 kbps.在這種情況下，使用FSK調(diào)制時，數(shù)據(jù)發(fā)送可以快10倍。此外，從RF接收器的角度看，接收器接收和解碼FSK信號的效果要比ASK調(diào)制的RF好得多，尤其是在較高數(shù)據(jù)速率的情況下。

　　優(yōu)化功耗

　　無線能量采集傳感器在工作時需要盡可能減少功耗。這可以通過仔細地對設備的工作周期與低功耗關斷模式進行平衡來實現(xiàn)。根據(jù)應用本身的響應時間，傳感器需要頻繁或偶爾發(fā)送測量的傳感器信息。兩個工作周期之間的時間間隔越長，平均功耗越低，實際使用的能量就越少。

　　傳感器可能還需要在兩次無線電傳輸之間捕捉多個數(shù)據(jù)采樣。根據(jù)捕捉的實際物理信息，可消耗或多或少的電流。典型示例包括運放和橋式稱重傳感器，它們在工作時需要相當大的電流(相對于發(fā)送RF數(shù)據(jù)時的電流消耗)。

　　對于實際的無線RF發(fā)送配置，需要特別注意。幅值或頻率調(diào)制、信息的發(fā)送速率(比特率和/或頻率偏差)以及天線的RF輸出功率等參數(shù)都對總功耗有很大影響。工作時間越短，平均功耗越低--這一經(jīng)驗法則在這里同樣適用。系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設計，以消除所有不必要的功耗，例如避免LED始終點亮。處理器必須盡可能長地處于低功耗狀態(tài)。板上的所有其他器件在未使用時都必須處于低功耗待機模式。

　　建議的示例

　　PIC12LF1840T48A器件上的RF發(fā)送器提供了最高為200 kHz的頻率偏差。這可實現(xiàn)最大為100 Kbps的比特率。如果我們使用由一個16位前導碼、一個16位同步模式和一個32位有效負載組成的小數(shù)據(jù)包，只需要640 ?s即可發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)包。已知能量的度量單位稱為焦耳(J)，并且：

　　1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s　　我們可以使用以下公式輕松計算發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量：

　　E = 10.5 mA * 640 μs à 10.5 mA * 3.0v * 640 μs = 31.5 mW * 640 μs = 20.16 μJ

　　對于我們的PIC12LF1840T48A設計示例，我們知道晶振起振時間典型值為650 μs,并且晶振起振時消耗的電流約為5 mA。因此起振功耗為：

　　E1 = 5 mA * 3.0v * 650 μs = 9.75 μJ

　　我們的示例中使用的實際數(shù)據(jù)傳輸包含16位前導符(101010…)、16位同步模式和32位數(shù)據(jù)。如果選擇100 Kbps的比特率，則傳輸周期為640 μs。對于868 MHz FSK調(diào)制下的+0 dB RF傳輸，消耗的電流為12 mA。

　　E2 = 12 mA * 3v * 640 μs = 23.04 μJ

　　如果我們使用簡單的10 Kbps傳輸，那么所用能量為：

　　E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144 μJ

　　這種對比只是為了說明使用高數(shù)據(jù)速率的重要性。

　　發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)位后，PIC12F1840T48A發(fā)送器將自動超時并恢復至低功耗關斷狀態(tài)。此超時周期的最小值為2 ms。增加的能耗為：

　　E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72 μJ

　　因此，發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的總能耗為：

　　E = E1 + E2 + E3 = 9.75 μJ + 23.04 μJ + 72 μJ =104.79 μJ

　　不過，電流輸出為4.5 μA/3V的微型太陽能電池需要工作多少秒才能獲得僅夠一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量。例如，使用可產(chǎn)生3V/6 mA(最佳情況為3V/40 μA)的低成本太陽能電池，產(chǎn)生的功率僅為：

　　3v * 40 μA = 140 μW

　　現(xiàn)在我們可以計算出采集到足夠進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量所需的時間：

　　T = 104.79 μJ/ 140 μW = 0.74s

　　這意味著，傳感器單元在連續(xù)的兩次數(shù)據(jù)發(fā)送之間必須等待不到一秒的時間。此外，還必須注意，上述計算公式適用于太陽能電池無限擁有持續(xù)光源的情況。當然，這在大多數(shù)情況下是不可能實現(xiàn)的，因為主要能量來源是白天才有的自然光。在這種情況下，必須對計算進行擴展，以考慮到能量采集系統(tǒng)需要在白天存儲能量供沒有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未計算實際傳感器測量所需的能量。

　　可能的實現(xiàn)選項

　　根據(jù)實際的系統(tǒng)要求，實現(xiàn)能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括：

　　- 將能量采集到超級電容中。

　　- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進行涓流充電。無需任何充電穩(wěn)壓器。另外，鎳氫可充電電池的成本非常低。

- 直接由能量采集器供電。在主要的能量來源(如光或熱)連續(xù)可用并且生成的能量足以為無線傳感器電路供電的情況下，無需將能量存儲