創(chuàng)新的低功耗能量采集傳感器方案 - 全文

　　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(dòng)化和樓宇自動(dòng)化的未來。各種傳感器、控制器和執(zhí)行器分布在整個(gè)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(gè)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(cè)量時(shí)，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(gè)月內(nèi)就會(huì)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(huì)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(jiǎn)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(shí)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(chǔ)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(jí)電容）供將來需要時(shí)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(shí)間。能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)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(duì)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(duì)采集能量的使用。

　　不同的能量采集設(shè)備

　　目前，市場(chǎng)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(yáng)能電池板。它有著不同的尺寸，從串聯(lián)和/或并聯(lián)多個(gè)太陽(yáng)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(dòng)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(shí)，一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶往往只會(huì)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(chǎng)上的現(xiàn)有產(chǎn)品兼容時(shí)，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(gè)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(jiǎn)單的IR遙控）。

　　實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的額外成本

　　很多時(shí)候，當(dāng)考慮實(shí)施特定RF標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(shí)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(duì)比較簡(jiǎn)單且便宜。對(duì)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(shí)，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(cè)試、特定配置文件測(cè)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(qǐng)認(rèn)證之前，還需要執(zhí)行一些特定的預(yù)測(cè)試并評(píng)估設(shè)備是否能通過認(rèn)證。專用測(cè)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(huì)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(wàn)件）范圍內(nèi)。僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品時(shí)，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(cè)試和RF測(cè)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(jiǎn)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(zhǎng)度會(huì)小很多，因此能量消耗會(huì)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(shí)期RF功率較低（OOK甚至具有完全不消耗RF功率的時(shí)期）。ASK的總平均電流消耗會(huì)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(shí)，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(hào)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(shí)需要盡可能減少功耗。這可以通過仔細(xì)地對(duì)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(shí)間，傳感器需要頻繁或偶爾發(fā)送測(cè)量的傳感器信息。兩個(gè)工作周期之間的時(shí)間間隔越長(zhǎng)，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(gè)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?cè)诠ぷ鲿r(shí)需要相當(dāng)大的電流（相對(duì)于發(fā)送RF數(shù)據(jù)時(shí)的電流消耗）。

　　對(duì)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(duì)總功耗有很大影響。工作時(shí)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(zhǎng)地處于低功耗狀態(tài)。板上的所有其他器件在未使用時(shí)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(qǐng)注明出處！
　　

　　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(shí)現(xiàn)最大為100 Kbps的比特率。如果我們使用由一個(gè)16位前導(dǎo)碼、一個(gè)16位同步模式和一個(gè)32位有效負(fù)載組成的小數(shù)據(jù)包，只需要640 μs即可發(fā)送一個(gè)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(jì)算發(fā)送一個(gè)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(duì)于我們的PIC12LF1840T48A設(shè)計(jì)示例，我們知道晶振起振時(shí)間典型值為650 μs，并且晶振起振時(shí)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(shí)際數(shù)據(jù)傳輸包含16位前導(dǎo)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)位后，PIC12F1840T48A發(fā)送器將自動(dòng)超時(shí)并恢復(fù)至低功耗關(guān)斷狀態(tài)。此超時(shí)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(gè)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(yáng)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(yáng)能電池，產(chǎn)生的功率僅為：

　　3v * 40 μA = 140 μW

　　現(xiàn)在我們可以計(jì)算出采集到足夠進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量所需的時(shí)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(shí)間。此外，還必須注意，上述計(jì)算公式適用于太陽(yáng)能電池?zé)o限擁有持續(xù)光源的情況。當(dāng)然，這在大多數(shù)情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橹饕芰縼碓词前滋觳庞械淖匀还?。在這種情況下，必須對(duì)計(jì)算進(jìn)行擴(kuò)展，以考慮到能量采集系統(tǒng)需要在白天存儲(chǔ)能量供沒有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未計(jì)算實(shí)際傳感器測(cè)量所需的能量。

　　可能的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)

　　根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)能量采集功能時(shí)有多種能量存儲(chǔ)方案可選。其中包括：

　　- 將能量采集到超級(jí)電容中。

　　- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽(yáng)能電池進(jìn)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(chǔ)到單獨(dú)的設(shè)備中。當(dāng)然，此選項(xiàng)的適用性非常有限。

　　為什么使用能量采集

　　當(dāng)開發(fā)低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，使用能量采集解決方案的主要好處不是節(jié)省無線解決方案的單位成本，而是節(jié)省無線傳感器系統(tǒng)的部署和維護(hù)成本。您曾經(jīng)有多少次需要在凌晨1點(diǎn)爬梯子更換煙霧探測(cè)器的電池？監(jiān)視和更換無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池的維護(hù)成本大大高于設(shè)備本身的成本，尤其是無線傳感器系統(tǒng)安裝在遠(yuǎn)端或難以觸及的區(qū)域時(shí)。當(dāng)需要定期維護(hù)服務(wù)時(shí)，無線系統(tǒng)的規(guī)模（傳感器數(shù)）也會(huì)成為一個(gè)較大因素。借助能量采集技術(shù)，我們可以采集“免費(fèi)的”能量并存儲(chǔ)該能量以供確實(shí)需要時(shí)使用，而無需對(duì)無線系統(tǒng)的功耗施加明顯的限制即可確保5年以上的電池壽命，這樣客戶便不再需要更換電池。

　　結(jié)論

　　現(xiàn)在能夠以更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格點(diǎn)設(shè)計(jì)能量采集無線傳感器節(jié)點(diǎn)，尤其是業(yè)務(wù)上不需要支持某些更復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)（例如ZigBee或Wi-Fi?）時(shí)。大多數(shù)新無線傳感器設(shè)計(jì)甚至不需要電池，而是可以從不同的主要能量來源（如光、無線電波、機(jī)械能和熱能）采集能量。更多類型的能量采集源每天都在開發(fā)中（例如基于血糖的采集源）。

　　在正常情況下，低功耗能量采集無線傳感器幾乎可無限期工作，并且從不需要任何人工干預(yù)。這會(huì)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，并且可以節(jié)省大量維護(hù)成本，尤其是傳感器位于難以或者無法觸及的位置時(shí)。通過更加細(xì)心地選擇通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸速率，并更好地利用新型RF器件（如新的PIC12F1840T48A）上的功耗管理功能，我們可以顯著降低總功率需求，從而減少無線傳感器解決方案的成本。