創(chuàng)新的低功耗能量采集傳感器方案

　　本文作者：應(yīng)用工程師Cristian Toma， 應(yīng)用總監(jiān)Vivien Delport

　　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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)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(hù)，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(shí)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(shí)施不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目，如認(rèn)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(shí)現(xiàn)免維護(hù)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(jì)高效的無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)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(shè)計(jì)為使用電池工作特定一段時間。能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)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(jià)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(shè)備

　　目前，市場上有多種不同的能量采集設(shè)備可選。最常用的設(shè)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(jì)算器或玩具的超小型電池。

　　另一種類型的設(shè)備是RF采集設(shè)備。此設(shè)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(shè)備，因?yàn)樗枰逺F能量。機(jī)電能量采集設(shè)備通常在電感線圈附近使用磁性運(yùn)動部件。熱電能量采集設(shè)備可通過溫度梯度產(chǎn)生少量電能。這類熱能設(shè)備依賴于塞貝克效應(yīng)。

　　是否實(shí)施無線標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)添加無線功能時，一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶往往只會想到實(shí)施RF行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如ZigBee或Bluetooth。但是，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，實(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)可能是實(shí)際要求，也可能不是。一般來說，僅當(dāng)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(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品（由其他公司銷售）兼容，實(shí)際上是一個更復(fù)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(jī)的無線耳機(jī)），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(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的額外成本

　　很多時候，當(dāng)考慮實(shí)施特定RF標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)計(jì)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(diǎn)。任何RF發(fā)送器（正式名稱為“有意輻射體”）都需要認(rèn)證。非RF發(fā)送器仍需要FCC或CE認(rèn)證。但是，其認(rèn)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(rèn)證都是不可避免的。因此，當(dāng)比較不同的解決方案時，將不考慮這部分成本。

　　根據(jù)實(shí)施的無線標(biāo)準(zhǔn)，總實(shí)施成本可能遠(yuǎn)超最初預(yù)期的成本。實(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格（年費(fèi)）、標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目。ZigBee認(rèn)證的成本約為3000美元，而這只是認(rèn)證本身的費(fèi)用。但實(shí)際上，在申請認(rèn)證之前，還需要執(zhí)行一些特定的預(yù)測試并評估設(shè)備是否能通過認(rèn)證。專用測試設(shè)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(biāo)準(zhǔn)需要支付會員費(fèi)用。還可能需要支付版稅（每芯片）。RF標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(rèn)證成本，那么單位價(jià)格實(shí)際將翻一倍。RF標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的成本（認(rèn)證成本本身、預(yù)測試和RF測試設(shè)備）可以很容易超過10，000美元。

　　最低硬件要求

　　特定的無線標(biāo)準(zhǔn)需要使用專用芯片（如IEEE 802.15.4）。但是，如果您只需要進(jìn)行單向通信，那么簡單的ISM頻段發(fā)送器就完美適合應(yīng)用。但是，能量采集無線傳感器節(jié)點(diǎn)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?？梢允褂肁SK（OOK）或FSK調(diào)制。ASK調(diào)制（和OOK）的能量消耗較低，因?yàn)樵诠ぷ鞯哪承r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?yàn)樗梢赃_(dá)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(xì)地對設(shè)備的工作周期與低功耗關(guān)斷模式進(jìn)行平衡來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用本身的響應(yīng)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(shí)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(shí)際物理信息，可消耗或多或少的電流。典型示例包括運(yùn)放和橋式稱重傳感器，它們在工作時需要相當(dāng)大的電流（相對于發(fā)送RF數(shù)據(jù)時的電流消耗）。

　　對于實(shí)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(yàn)法則在這里同樣適用。系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以消除所有不必要的功耗，例如避免LED始終點(diǎn)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(jī)模式。

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)8月《無線通信特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！