创新的低功耗能量采集传感器方案

创新的低功耗能量采集传感器方案

　　本文提出了一种低功耗能量采集传感器的实现方案。当传感器需要发送大量数据或执行连续测量时，能量采集供电的无线传感器更为适合。采用能量采集供电的传感器可在数年内完全免维护，而电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量。

　　智能环境代表了家庭自动化和楼宇自动化的未来。各种传感器、控制器和执行器分布在整个环境中，并发挥多种作用。这种分布也带来了一些技术挑战。例如，每个传感器都需要有自己的电源。监视电池的低电量状态是一项标准操作。但是，更换电池需要人工辅助。本文提出了一种低功耗能量采集传感器的实现方案。当传感器需要发送大量数据或执行连续测量时，能量采集供电的无线传感器更为适合。采用能量采集供电的传感器可在数年内完全免维护，而电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量。

　　如今的无线传感器实现方案五花八门。但是，此类系统的总成本不仅仅取决于硬件。实施不同行业标准的成本也会增加总成本。这不仅包括附加的软硬件要求，还包括不甚明显的项目，如认证(例如ZigBee?和Bluetooth? 4.0)，甚至可能涉及版税。

　　本文提出了一些简单的低功耗能量采集技术，可用于实现免维护的无线传感器。此外，本文还将展示如何在提供稳固性能的同时保持较低的总成本，特别是在经济高效的无线网络领域。

　　能量采集原理

　　能量采集系统的基本原理是存储能量(无论是使用镍氢电池之类的可充电电池还是使用超级电容)供将来需要时使用。除此之外，能量采集无线传感器基本上与电池供电的传感器相同。主要的区别在于(非充电式)电池供电的无线传感器设计为使用电池工作特定一段时间。能量采集传感器节点的优势是，可以无限采集能量供将来使用。通常情况下，它能够采集的能量非常有限(受价格和/或物理尺寸限制)。因此，必须对无线发送器和传感器本身的能源使用加以平衡，以减少对采集能量的使用。

　　不同的能量采集设备

　　目前，市场上有多种不同的能量采集设备可选。最常用的设备为太阳能电池板。它有着不同的尺寸，从串联和/或并联多个太阳能电池的大型电池板，到用于手持式计算器或玩具的超小型电池。

　　另一种类型的设备是RF采集设备。此设备使用天线接收无线电波，然后将其转换为电能。这是一种非常特别的能量采集设备，因为它需要高RF能量。机电能量采集设备通常在电感线圈附近使用磁性运动部件。热电能量采集设备可通过温度梯度产生少量电能。这类热能设备依赖于塞贝克效应。

　　是否实施无线标准

　　当添加无线功能时，一些缺乏经验的用户往往只会想到实施RF行业标准，如ZigBee或Bluetooth.但是，根据实际的应用需求，实施特定标准可能是实际要求，也可能不是。一般来说，仅当最终产品必须与市场上的现有产品兼容时，才需要实施特定标准。选择使产品与其他产品(由其他公司销售)兼容，实际上是一个更复杂的商业决策。需要权衡是否提供兼容性。此外，在一些情况下必须提供兼容性(如用于手机的无线耳机)，而另外一些情况下无法添加兼容性或者添加成本过高(如简单的IR遥控)。

　　实施标准的额外成本

　　很多时候，当考虑实施特定RF标准时，设计人员仅看到总体硬件成本。这通常是考虑硬件解决方案时的主要出发点。任何RF发送器(正式名称为“有意辐射体”)都需要认证。非RF发送器仍需要FCC或CE认证。但是，其认证操作相对比较简单且便宜。对于任何无线传感器来说，FCC认证都是不可避免的。因此，当比较不同的解决方案时，将不考虑这部分成本。

　　根据实施的无线标准，总实施成本可能远超最初预期的成本。实施特定标准的成本不仅仅是软硬件成本。通常包括组成员资格(年费)、标准合规性测试、特定配置文件测试和特定硬件嗅探工具等项目。ZigBee认证的成本约为3000美元，而这只是认证本身的费用。但实际上，在申请认证之前，还需要执行一些特定的预测试并评估设备是否能通过认证。专用测试设备的租金为每月750美元。

　　初看之下，这些额外成本可能不是很高。但是，多次采用特定标准需要支付会员费用。还可能需要支付版税(每芯片)。RF标准认证成本将始终转换为额外的成本和延期，直到产品发布。

　　硬件本身的单位成本通常在1至1.5美元(1万件)范围内。仅生产少量产品时，上述所有成本都将影响单位总成本。如果我们仅考虑10，000美元的FCC认证成本，那么单位价格实际将翻一倍。RF标准认证的成本(认证成本本身、预测试和RF测试设备)可以很容易超过10，000美元。

　　最低硬件要求

　　特定的无线标准需要使用专用芯片(如IEEE 802.15.4)。但是，如果您只需要进行单向通信，那么简单的ISM频段发送器就完美适合应用。但是，能量采集无线传感器节点还有一些最低要求。建议采用高数据速率。一般来说，数据速率越高，需要的功率就越多。但总数据包长度会小很多，因此能量消耗会降低。可以使用ASK(OOK)或FSK调制。ASK调制(和OOK)的能量消耗较低，因为在工作的某些时期RF功率较低(OOK甚至具有完全不消耗RF功率的时期)。ASK的总平均电流消耗会更低。不过，FSK仍为首选，因为它可以达到更高的数据速率。例如，Microchip的具有集成发送器的PIC12LF1840T48A MCU在OOK模式下支持10 kbps，而在FSK模式下支持100 kbps.在这种情况下，使用FSK调制时，数据发送可以快10倍。此外，从RF接收器的角度看，接收器接收和解码FSK信号的效果要比ASK调制的RF好得多，尤其是在较高数据速率的情况下。

　　优化功耗

　　无线能量采集传感器在工作时需要尽可能减少功耗。这可以通过仔细地对设备的工作周期与低功耗关断模式进行平衡来实现。根据应用本身的响应时间，传感器需要频繁或偶尔发送测量的传感器信息。两个工作周期之间的时间间隔越长，平均功耗越低，实际使用的能量就越少。

　　传感器可能还需要在两次无线电传输之间捕捉多个数据采样。根据捕捉的实际物理信息，可消耗或多或少的电流。典型示例包括运放和桥式称重传感器，它们在工作时需要相当大的电流(相对于发送RF数据时的电流消耗)。

　　对于实际的无线RF发送配置，需要特别注意。幅值或频率调制、信息的发送速率(比特率和/或频率偏差)以及天线的RF输出功率等参数都对总功耗有很大影响。工作时间越短，平均功耗越低——这一经验法则在这里同样适用。系统需要经过精心设计，以消除所有不必要的功耗，例如避免LED始终点亮。处理器必须尽可能长地处于低功耗状态。板上的所有其他器件在未使用时都必须处于低功耗待机模式。

　　建议的示例

　　PIC12LF1840T48A器件上的RF发送器提供了最高为200 kHz的频率偏差。这可实现最大为100 Kbps的比特率。如果我们使用由一个16位前导码、一个16位同步模式和一个32位有效负载组成的小数据包，只需要640 ?s即可发送一个完整的数据包。已知能量的度量单位称为焦耳(J)，并且：

　　1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s

　　我们可以使用以下公式轻松计算发送一个数据包所消耗的能量：

　　E = 10.5 mA * 640μsà10.5 mA * 3.0v * 640μs = 31.5 mW * 640μs = 20.16μJ

　　对于我们的PIC12LF1840T48A设计示例，我们知道晶振起振时间典型值为650μs，并且晶振起振时消耗的电流约为5 mA.因此起振功耗为：

　　E1 = 5 mA * 3.0v * 650μs = 9.75μJ

　　我们的示例中使用的实际数据传输包含16位前导符(101010…)、16位同步模式和32位数据。如果选择100 Kbps的比特率，则传输周期为640μs.对于868 MHz FSK调制下的+0 dB RF传输，消耗的电流为12 mA.

　　E2 = 12 mA * 3v * 640μs = 23.04μJ

　　如果我们使用简单的10 Kbps传输，那么所用能量为：

　　E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144μJ

　　这种对比只是为了说明使用高数据速率的重要性。

　　发送最后一个数据位后，PIC12F1840T48A发送器将自动超时并恢复至低功耗关断状态。此超时周期的最小值为2 ms.增加的能耗为：

　　E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72μJ

　　因此，发送一个数据包的总能耗为：

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

　　不过，电流输出为4.5μA/3V的微型太阳能电池需要工作多少秒才能获得仅够一次数据发送的能量。例如，使用可产生3V/6 mA(最佳情况为3V/40μA)的低成本太阳能电池，产生的功率仅为：

　　3v * 40μA = 140μW

　　现在我们可以计算出采集到足够进行一次数据发送的能量所需的时间：

　　T = 104.79μJ/ 140μW = 0.74s

　　这意味着，传感器单元在连续的两次数据发送之间必须等待不到一秒的时间。此外，还必须注意，上述计算公式适用于太阳能电池无限拥有持续光源的情况。当然，这在大多数情况下是不可能实现的，因为主要能量来源是白天才有的自然光。在这种情况下，必须对计算进行扩展，以考虑到能量采集系统需要在白天存储能量供没有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未计算实际传感器测量所需的能量。

　　可能的实现选项

　　根据实际的系统要求，实现能量采集功能时有多种能量存储方案可选。其中包括：

　　-将能量采集到超级电容中。

　　-可充电电池。镍氢可充电电池可直接通过太阳能电池进行涓流充电。无需任何充电稳压器。另外，镍氢可充电电池的成本非常低。

　　-直接由能量采集器供电。在主要的能量来源(如光或热)连续可用并且生成的能量足以为无线传感器电路供电的情况下，无需将能量存储到单独的设备中。当然，此选项的适用性非常有限。

　　为什么使用能量采集

　　当开发低功耗无线传感器节点时，使用能量采集解决方案的主要好处不是节省无线解决方案的单位成本，而是节省无线传感器系统的部署和维护成本。您曾经有多少次需要在凌晨1点爬梯子更换烟雾探测器的电池?监视和更换无线传感器网络电池的维护成本大大高于设备本身的成本，尤其是无线传感器系统安装在远端或难以触及的区域时。当需要定期维护服务时，无线系统的规模(传感器数)也会成为一个较大因素。借助能量采集技术，我们可以采集“免费的”能量并存储该能量以供确实需要时使用，而无需对无线系统的功耗施加明显的限制即可确保5年以上的电池寿命，这样客户便不再需要更换电池。

　　结论

　　现在能够以更具竞争力的价格点设计能量采集无线传感器节点，尤其是业务上不需要支持某些更复杂的无线网络标准(例如ZigBee或Wi-Fi?)时。大多数新无线传感器设计甚至不需要电池，而是可以从不同的主要能量来源(如光、无线电波、机械能和热能)采集能量。更多类型的能量采集源每天都在开发中(例如基于血糖的采集源)。

　　在正常情况下，低功耗能量采集无线传感器几乎可无限期工作，并且从不需要任何人工干预。这会是一个巨大的优势，并且可以节省大量维护成本，尤其是传感器位于难以或者无法触及的位置时。通过更加细心地选择通信协议和数据传输速率，并更好地利用新型RF器件(如新的PIC12F1840T48A)上的功耗管理功能，我们可以显着降低总功率需求，从而减少无线传感器解决方案的成本。

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