基于微能量采集技術(shù)的無源物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用

在現(xiàn)代社會，智能化已經(jīng)成為一種趨勢，無線智能物聯(lián)網(wǎng)已在各行業(yè)部署，其連接規(guī)模高速增長。在過去的3 年中，2020 年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)達(dá)到113 億，直至2022 年增加到160 億，預(yù)計在2025 年連接數(shù)將突破270 億。然而，無線物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)為用戶提供了極大便利的同時，大規(guī)模場景部署仍然受到環(huán)境、成本、節(jié)能環(huán)保等因素限制，傳統(tǒng)供電方式已無法滿足需求。

1 無線物聯(lián)網(wǎng)背景

1.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊背景

自2010 至今，無線物聯(lián)網(wǎng)核心研究除了提高更高效的通訊方式，擴(kuò)大更廣泛的部署領(lǐng)域外，降低終端節(jié)點的功耗也成為重要的一環(huán)，各通信組織、機(jī)構(gòu)也為此陸續(xù)創(chuàng)新科技并提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。全球通訊標(biāo)準(zhǔn)化組織(3GPP) 提出了LTE CAT 1、LTE CATM、NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)，引入RedCap( 縮減能力終端) 成功降低了接入5G 網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端功耗。LoRa 聯(lián)盟在LoRaWAN 協(xié)議中規(guī)定ClassA/B/C 三類終端設(shè)備類型支持所有低功耗設(shè)備進(jìn)行快速場景部署。Wi-Fi、藍(lán)牙協(xié)會也推出低功耗技術(shù)來支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，滿足設(shè)備之間“一對一”、“一對多”和“多對多”的相互通訊。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)市場痛點

目前，眾多無線通訊設(shè)備的終端節(jié)點依舊通過電池或電源線供給能量( 電能)，而這類供能方式在不同場景部署下暴露出的弊端制約了物聯(lián)網(wǎng)向著更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。

1.2.1 “雙碳政策”的要求

雙碳政策，是碳達(dá)峰與碳中和的簡稱，國家希望在2030 年實現(xiàn)碳達(dá)峰，隨后在2060 年實現(xiàn)碳中和。可是，假設(shè)一個物理網(wǎng)設(shè)備需配備兩塊供能電池使用，那么百億級的設(shè)備將消耗兩倍百億級的電池。當(dāng)能源耗盡后，電池的遺留和降解會對環(huán)境帶來巨大負(fù)擔(dān)和不可逆的污染。因此，為了響應(yīng)低碳政策實行，可持續(xù)、可再生的能源技術(shù)開發(fā)是推動物理網(wǎng)生態(tài)建設(shè)的重要支撐。

1.2.2 極端環(huán)境部署受限

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署越來越廣泛，但一部分應(yīng)用場景往往無法支持接線供電或更換電池，主要包括兩類環(huán)境：一是人們不長期活動的產(chǎn)所，如森林、山丘、沙漠等。二是惡劣的工作環(huán)境，如高空、高溫、高輻射作業(yè)和監(jiān)測的環(huán)境。這些場所地域廣且人跡罕至，無線設(shè)備若采用電池供電，能源耗盡后對其補(bǔ)充能量的成本極高。

1.2.3 極低成本限制

隨著低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN) 的快速發(fā)展，相關(guān)模組成本已經(jīng)大幅降低，可是進(jìn)一步下降的空間有限。在實踐中，如物流追蹤，當(dāng)?shù)蛢r值物品有大量的連接需求，往往需要海量的終端，這就需要傳感器和通訊模組使用最低的成本實現(xiàn)最精準(zhǔn)的通訊性能，最保守的方式則是通過減少器件實現(xiàn)成本縮減，電源部分成為了主要取舍對象。

1.2.4 終端尺寸限制

在很多場景中，如智慧倉庫、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧穿戴等，終端尺寸也是制約應(yīng)用部署的因素。隨著智慧產(chǎn)品變得越來越輕薄、小巧，對于供能模組的尺寸設(shè)計也變得越來越苛刻?，F(xiàn)市場中部分電子價簽方案商開始布局，類似這一類尺寸小、厚度薄的信息載體產(chǎn)品已無多余空間放下常規(guī)電源模組，能夠自行持續(xù)供能的方案便成為了唯一解決方案。

總的來說，面對綜上所述的痛點，智能設(shè)備滿足免維護(hù)、低功耗、低成本、小尺寸的需求是現(xiàn)階段無線物理網(wǎng)生態(tài)建設(shè)中的研發(fā)目標(biāo)之一，這也是無源物理網(wǎng)生態(tài)出現(xiàn)的重大意義。

2 無源物聯(lián)網(wǎng)方案

2.1 微能量采集

無源物理網(wǎng)主要是通過微能量采集技術(shù)、能量管理系統(tǒng)、低功耗計算模組3 個核心技術(shù)部分實現(xiàn)。首先，自然環(huán)境中存在著很多能量來源，如光能、熱能、振動能、射頻等，微能量采集技術(shù)就是通過將采集這些微小能量并將其轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。

2.1.1 環(huán)境光能采集

運用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，光伏板從太陽光或環(huán)境光取得能源，當(dāng)電子吸收的能量足夠大時就能克服吸引力從金屬表面逃離形成光電子，金屬外層不同數(shù)量的電子使金屬形成P 型和N 型半導(dǎo)體，二者接觸面形成的電勢差產(chǎn)生電能。

2.1.2 熱能采集

運用熱電材料的塞貝克效應(yīng)，使不同導(dǎo)電體或半導(dǎo)體構(gòu)成閉合電路，當(dāng)兩導(dǎo)體結(jié)合處溫度不同會出現(xiàn)“冷熱溫差”時，此時回路中產(chǎn)生的電勢差使熱能轉(zhuǎn)換成電能。

2.1.3 振動能采集

振動能又可定義為機(jī)械能，靜電、壓電、和電磁效應(yīng)都可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)移動設(shè)備在工作中產(chǎn)生輕微的振動時，壓電材料可以將這種微能量采集并轉(zhuǎn)化為電能。

2.1.4 射頻能采集

將包圍在設(shè)備周圍的射頻信號作為能量來源，通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)對空間射頻能量的采集并將其轉(zhuǎn)換成電能。

2.2 電源管理

在微能量采集技術(shù)實現(xiàn)中，能量微弱和隨機(jī)性明顯，尤其大部分情況下屬于微瓦級供能，因此除能量采集外，還需電源管理和能量儲存部分對這些微弱能量進(jìn)行有效管理。其中，能量儲存部分可直接為負(fù)載供能，也可以被儲到能量存儲單元中供將來使用。最后，電源管理部分由穩(wěn)壓器形成，根據(jù)系統(tǒng)的要求穩(wěn)定電壓，并針對載體所需電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換與分配。

2.3 低功耗通訊

為了實現(xiàn)無線設(shè)備間的通訊，現(xiàn)有組網(wǎng)方式主要為，ZigBee、Thread、Wi-Fi 和BLEMesh， 其中BluetoothSIG組織發(fā)布了藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)可使網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點之間相互通訊。

SIG Mesh網(wǎng)絡(luò)由Mesh網(wǎng)絡(luò)中的控制端和節(jié)點設(shè)備組成，其廣播的實現(xiàn)步驟是：由設(shè)備A 廣播消息出去，當(dāng)節(jié)點設(shè)備B 收到設(shè)備A 的消息后再把設(shè)備A 的消息廣播出去，直到讓有在無線范圍內(nèi)的設(shè)備都收到此消息。相比于其他物理網(wǎng)組網(wǎng)方式( 見表1)，SIG Mesh 具備低功耗、低成本的優(yōu)勢，同時還滿足：

1）網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點出故障時，整個網(wǎng)絡(luò)依舊可保持正常通信，加入和脫離設(shè)置自由，具有組網(wǎng)方便，抗干擾的能力強(qiáng)；

2）所有節(jié)點都一致、平等，避免了節(jié)點連接中心點困難的情況；

3）所有節(jié)點都可以操作平臺，適合智能設(shè)備部署的各種場景；

4）可以信息加密，保證傳輸信息安全。

表1 現(xiàn)有組網(wǎng)方式對比

綜上所述，在無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中采用低功耗藍(lán)牙Mesh通訊既實現(xiàn)對多個終端節(jié)點的把控需求，又能在微能量采集技術(shù)供給微瓦級的環(huán)境下工作。

3 實際應(yīng)用——雙“無”智能開關(guān)

3.1 整體系統(tǒng)分析

在此設(shè)計中，微能量采集技術(shù)方案采用的是e-peas的AEM10941 方案。如圖1 所示，采用光伏板采集微光能量，此時AEM10941 便能夠從光伏板( 連接SRC)獲取能源充電存儲元件( 電池、超級電容，連接到BATT)，同時在設(shè)定的電容電壓區(qū)間范圍內(nèi)，通過兩個LDO 穩(wěn)壓器(LVOUT 和HVOUT) 為低功耗藍(lán)牙模組提供電源。

圖1 系統(tǒng)框圖

在第1 次啟動時，一旦來自光伏板的輸入電壓達(dá)到所需的冷啟動電壓380 mV，并且有3 μW 微弱功率可用，AEM10941 就會進(jìn)行冷啟動。在冷啟動后，輸入50 mV和5 V 電壓便可使模組提取存儲元件的可用能量，冷啟動的最小電壓可通過添加電阻來設(shè)置。當(dāng)電池電壓耗盡，LDO 穩(wěn)壓器將被斷電，控制器將不再由存儲元件供電以保護(hù)它免受進(jìn)一步放電的影響。另外，如果存儲元件耗盡并且在PRIM 上連接了一個可選的主電池，芯片會自動將其用作重新充電存儲元件的能源，然后再切換回環(huán)境能源，這確保在最惡劣的條件下保持持續(xù)運行。此方案可有效的從環(huán)境中收集能量并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓輸出，整個過程的功能轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 90% 以上。

另一方面，低功耗藍(lán)牙通訊方案采用的是凌思微的LE5010 方案。LE5010 是一款高性能的低功耗BLESoC，它同時支持藍(lán)牙5.0 全協(xié)議棧、SIG Mesh 和私有Mesh。在32 bit MCU 內(nèi)核、64 kB SRAM 和RTC 的超低功耗設(shè)計下待機(jī)電流低至1.1 μA。最新無線自組網(wǎng)的SIG Mesh 標(biāo)準(zhǔn)采用Flooding 中斷機(jī)制擴(kuò)大了信號覆蓋圍和網(wǎng)絡(luò)容量，使得大量節(jié)點在更廣泛區(qū)域中進(jìn)行互聯(lián)。

如圖2 所示，藍(lán)牙Mesh 的發(fā)布/ 訂閱消息系統(tǒng)類似于微信的公眾號訂閱模式，可以簡化設(shè)備之間的關(guān)系并降低耦合度。通過發(fā)布/ 訂閱模式，開關(guān)作為發(fā)布者可以發(fā)送控制消息給所有訂閱了該消息的燈，而不需要具體指定要控制哪些燈。同時，燈作為訂閱者只需關(guān)注自己感興趣的消息，而不需要知道是哪個開關(guān)控制它。這種解耦方式簡化了設(shè)備之間的關(guān)系，減少連接信息的維護(hù)，簡化網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)的工作。這種系統(tǒng)還支持靈活的消息傳遞和響應(yīng)機(jī)制，并提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

圖2 Ble Mesh發(fā)布與訂閱

3.2 設(shè)計可行性分析

預(yù)估一天總共使用藍(lán)牙模組20 次，每次0.3 s，模組正常工作發(fā)射一次的功耗為1.2 mA，總共需要耗能2 μAh；藍(lán)牙模組進(jìn)入淺睡眠后的功耗為0.04 mA，白天16 h 總共需要耗能640 μAh；藍(lán)牙模組進(jìn)入深睡眠后的功耗為0.4 μA，夜晚8 h 總共需要耗能32 μAh。因此，1 d24 h 小時低功耗藍(lán)牙模組總需要耗能6452 μAh。

預(yù)估光伏板在白天500 lux 的可見光照條件下采集16小時能夠收集944 μAh 的能量，并在夜晚200 lux 的可見光照條件采集8 h 能夠收集248 μAh 的能量，總能量1.192 mAh 為可滿足負(fù)載藍(lán)牙模組工作。

4 結(jié)束語

總的來說，本文討論了微能量采集技術(shù)節(jié)能環(huán)保、延長設(shè)備壽命、降低成本，提高了部署靈活性和自主性；低功耗藍(lán)牙通訊技術(shù)支持設(shè)備間互聯(lián)互通，提高了使用的便利性。未來，隨著對無源物理網(wǎng)深入研究，此技術(shù)將為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用帶來更多的可能性和優(yōu)勢。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）