采用能量采集技術(shù)的無電池式低功耗藍(lán)牙Beacon

　　低功耗藍(lán)牙（BLE）被廣泛運(yùn)用于那些需要采集數(shù)據(jù)并將它們傳送至指定目的地的低功耗無線通信應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，各類傳感器需要由某種形式的能源供電，以采集數(shù)據(jù)，并通過BLE發(fā)送。使用有線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，例如有時(shí)候有些傳感器是位于人體上的。電池供電型傳感器受電池壽命的限制，需要頻繁充電。如果某位工程師真正需要設(shè)計(jì)一款安裝后就無需打理的BLE傳感器應(yīng)用，該系統(tǒng)就需要利用光、運(yùn)動(dòng)、壓力或熱量等周圍環(huán)境中未被利用的能量。

　　這就是能量采集技術(shù)的用武之地。能量采集是一種從外部能源采集能量并用它為嵌入式設(shè)備供電的新方法。但是，在能夠可靠地運(yùn)用基于能量采集技術(shù)的BLE傳感器節(jié)點(diǎn)之前，我們需要克服一些挑戰(zhàn)，尤其是在低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文將闡述其中的某些挑戰(zhàn)以及應(yīng)對(duì)方法。

　　正文

　　智能手機(jī)等設(shè)備給我們的日常生活帶來了許多重要改變。我們通過手機(jī)來獲取能夠直接實(shí)時(shí)地影響我們的生活、與我們的健康、環(huán)境甚至購物方式相關(guān)的信息。然而，大多數(shù)信息必需被“拉”出來，即通過一條與另一個(gè)設(shè)備的連接獲取它們，或者通過搜索網(wǎng)絡(luò)獲取它們。這些方法要求用戶在需要數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)起一個(gè)操作。但是用戶有時(shí)甚至不知道要找什么或到何處去找，比如說當(dāng)他們尋找店內(nèi)某款產(chǎn)品的售價(jià)時(shí)。

　　解決辦法就是擁有一個(gè)能夠向用戶實(shí)時(shí)“推送”消息的系統(tǒng)。由于智能手機(jī)是向用戶推送信息的最佳途徑，該系統(tǒng)應(yīng)能便捷有效地向其發(fā)送信息。這就是Beacon的用武之地。

　　在無線技術(shù)中， Beacon是一個(gè)廣播消息的系統(tǒng)，目的是讓附近的設(shè)備接收到這些消息。Beacon能夠輕而易舉地向用戶設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，而且無需用戶操作。智能手機(jī)等現(xiàn)有設(shè)備支持可用于實(shí)現(xiàn)Beacon功能的各種方法。為了確保Beacon得到廣泛運(yùn)用，其中包括得到主流設(shè)備的支持、互操作性、較低的安裝成本和低功耗運(yùn)行，BLE 將成為Beacon通信的不二選擇。

　　低功耗藍(lán)牙（BLE）被廣泛運(yùn)用于那些需要在較小范圍傳送數(shù)據(jù)的低功耗無線通信應(yīng)用。無線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）就是一個(gè)例子。數(shù)據(jù)被從傳感器讀出，通常被發(fā)送到一部智能手機(jī)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)中的典型應(yīng)用流程如下圖所示：

　　圖1：BLE傳感器設(shè)備中的典型流程

　　這些Beacon/傳感器需要由某種能源供電，以保證能夠連續(xù)運(yùn)行和維持整體設(shè)備的尺寸。使用無線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，因?yàn)檫@些傳感器要么是位于人體上，要么位于遠(yuǎn)端，因此使用線纜供電的設(shè)計(jì)行不通。電池供電型傳感器存在電池壽命有限、需要頻繁充電、處理時(shí)破壞環(huán)境等問題。

　　如果我們真的想要無需任何維護(hù)的Beacon，我們就需要利用光、運(yùn)動(dòng)、壓力或熱量等周圍環(huán)境中未被利用的能量。這能夠?qū)崿F(xiàn)“安裝后即無需打理”，使Beacon在其整個(gè)生命周期內(nèi)都能得到供電。

　　這就是能量采集技術(shù)的用武之地。能量采集是指從周圍環(huán)境采集未被利用的能量并進(jìn)行存儲(chǔ)。所存儲(chǔ)的能量用于為WSN設(shè)備供電，采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過BLE傳輸數(shù)據(jù)。

　　圖2：基于能量采集技術(shù)的WSN設(shè)備的框圖

　　能量采集系統(tǒng)（EHS）是一個(gè)電路，其中包括一個(gè)能量采集器件（EHD），一個(gè)能量采集PMIC和一個(gè)儲(chǔ)能器件。 EH PMIC使用EHD（如太陽能電池、振動(dòng)傳感器和壓電器件）提供的能量對(duì)儲(chǔ)能器件（通常是一個(gè)電容器）進(jìn)行“涓流”充電。EHS然后使用所存儲(chǔ)的電荷向另一個(gè)嵌入式設(shè)備提供能量。EHS的輸出功率隨WSN的狀態(tài)變化而改變。當(dāng)WSN處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量被消耗，EHS的輸出電壓開始下降。當(dāng)其處于低功耗狀態(tài)時(shí)，由于儲(chǔ)能器件得到充電，EHS的輸出電壓開始升高。下圖顯示了EHS的輸出電壓隨嵌入式設(shè)備的狀態(tài)變化而改變的過程。

　　圖3：EH的輸出電壓隨設(shè)備狀態(tài)變化而改變

　　對(duì)于EHS供電型設(shè)備，活動(dòng)狀態(tài)下所消耗的能量不應(yīng)超過EHS中的可用能量。圖4顯示了一個(gè)EHS供電型系統(tǒng)，其活動(dòng)狀態(tài)下的能耗超過了EHS所能提供的能量。EHS的輸出電壓逐漸下降，直到完全停止輸出。

　　圖4：WSN因電能不足關(guān)機(jī)

　　這意味著嵌入式系統(tǒng)的方方面面都應(yīng)得到能量優(yōu)化，這樣它才能在EHS的供電下無縫運(yùn)行。此類系統(tǒng)中有很多子系統(tǒng)，而它們可能非常耗電，需要得到優(yōu)化才能確保它們不會(huì)拉低EH的輸出電壓。功耗優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

　　1） CPU的時(shí)鐘頻率：

　　系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定了例行程序的處理速度以及期間所消耗的能量。時(shí)鐘越快意味著處理速度越快，但電流消耗也越高。此外，每個(gè)設(shè)備都有最低和最高時(shí)鐘頻率要求，不能超出該要求。

　　對(duì)于基于EHS的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)以下兩個(gè)因素選擇一個(gè)優(yōu)化型時(shí)鐘頻率：

　　a） 平均電流消耗

　　b） 峰值電流消耗

　　EHS的容量必需兼顧這兩個(gè)因素。平均電流是活動(dòng)狀態(tài)下所需的時(shí)間平均電流，而峰值電流是活動(dòng)狀態(tài)下的瞬時(shí)最大電流要求，通常高于平均電流。有可能發(fā)生以下情況：所需的平均電流在EHS的容量之內(nèi)，但峰值電流將導(dǎo)致EHS突然耗盡能量，從而導(dǎo)致電壓降至截止電壓以下。請(qǐng)注意，處理時(shí)間是平均電流消耗計(jì)算的一部分。

　　下圖顯示了某個(gè)例行程序在兩個(gè)不同頻率下（第一個(gè)是48 MHz，第二個(gè)是12 MH）的功耗－時(shí)間圖。

　　圖6：12 MHz頻率下處理某個(gè)例行程序的電流消耗

　　在本例中，48 MHz頻率下處理的例行程序使用了約300μs的時(shí)間完成，并在此期間消耗了約10 mA的電流。12 MHz頻率下處理的例行程序使用了1.1 ms的時(shí)間完成，并在此期間僅消耗了4mA的電流。此過程在12 MHz下的平均電流消耗更高，但峰值電流要求卻更低。取決于EHS的容量，我們可以采用一個(gè)較短的48 MHz時(shí)鐘設(shè)置，或一個(gè)較長的12 MHz時(shí)鐘設(shè)置，或結(jié)合采用兩者，讓時(shí)鐘頻率在不同的過程之間來回切換。在選擇優(yōu)化型系統(tǒng)頻率時(shí)，我們應(yīng)該考慮這種電流分配。

　　2） 低功耗設(shè)備啟動(dòng)

　　嵌入式設(shè)備獲得供電后，它將完成一個(gè)啟動(dòng)程序，然后才能執(zhí)行應(yīng)用代碼。一個(gè)典型的啟動(dòng)程序包括：

　　a） 初始化內(nèi)存

　　b） 設(shè)置中斷向量

　　c） 配置外設(shè)和通用寄存器

　　d） 初始化外部時(shí)鐘（如果有的話）。

　　這四個(gè)步驟的每一步都需占用CPU處理時(shí)間才能完成，因此也要消耗能量。所消耗的能量取決于所使用的設(shè)備、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、所初始化的內(nèi)存/寄存器的容量以及設(shè)置外部時(shí)鐘所需的時(shí)間。因此，啟動(dòng)過程將消耗大量電能，必需得到優(yōu)化才能確保不消耗過多的EH輸出。編寫啟動(dòng)代碼時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

　　a） 只初始化那些將被使用的內(nèi)存和寄存器部分，其它部分維持默認(rèn)值。

　　b） 大多數(shù)無線系統(tǒng)需要高精度外部時(shí)鐘。這些外部時(shí)鐘（如外部時(shí)鐘振蕩器和手表晶體振蕩器）在啟動(dòng)后有一個(gè)較長的穩(wěn)定時(shí)間。我們不應(yīng)讓系統(tǒng)在活動(dòng)狀態(tài)下等待時(shí)鐘穩(wěn)定下來，而應(yīng)將其置于低功耗狀態(tài)（睡眠/深度睡眠狀態(tài)），只有在準(zhǔn)備使用它時(shí)再喚醒它。我們可以使用一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

　　3） 低功耗系統(tǒng)啟動(dòng)

　　一旦設(shè)備開始執(zhí)行應(yīng)用代碼，通常需要啟動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)外設(shè)。這些外設(shè)可能位于設(shè)備之中，如ADC，也可能位于設(shè)備之外，如某個(gè)傳感器。單個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間可能不長，但所有外設(shè)的總處理時(shí)間可能長到足以耗盡EHS中存儲(chǔ)的能量。

　　我們應(yīng)該計(jì)算指定CPU頻率下的外設(shè)啟動(dòng)時(shí)間，然后確定整體啟動(dòng)所有外設(shè)所需的能量預(yù)算是否可行（較快），或是否需要將啟動(dòng)程序分為多個(gè)階段（較慢）。

　　4） 分階段應(yīng)用處理

　　設(shè)備將有不同的應(yīng)用例行程序，它們需要自己的CPU帶寬。這些例行程序可能是為了配置某個(gè)外設(shè)，從傳感器接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行計(jì)算，管理事件或中斷。我們應(yīng)該確保處理所用能量不超過EHS的容量。如果超過了，應(yīng)將它們分為較小的子例行程序，并分階段管理它們。這可以將EHS上的負(fù)荷分成多個(gè)可管理的電流脈沖，從而讓EHS能夠在活動(dòng)的CPU進(jìn)程之間進(jìn)行充電。

　　此外，在各個(gè)階段之間，應(yīng)將系統(tǒng)置于低功耗模式，并將一個(gè)計(jì)數(shù)器或Watchdog計(jì)時(shí)器用作喚醒源，作為中斷。由于系統(tǒng)必需在該模式下保持較長時(shí)間，期間的電流要求應(yīng)盡可能低。

　　5） 無線傳輸

　　采集數(shù)據(jù)后，必需通過BLE傳輸它們。傳輸可以通過一條BLE連接或BLE廣播完成，但支持能量采集的Beacon只能采用BLE廣播，這是因?yàn)槭褂靡粭l連接傳輸數(shù)據(jù)之前，需要消耗大量能量建立該連接。

　　通常而言，無線操作，無論是發(fā)送（Tx）還是接受（Rx），是無線設(shè)備中耗能最多的操作。我們應(yīng)確保BLE操作是一個(gè)獨(dú)立的過程，只有在EH輸出能夠提供足夠的峰值電流時(shí)才與其它過程結(jié)合在一起。

　　賽普拉斯的基于電源管理IC（PMIC）的能量采集器為傳感器和網(wǎng)絡(luò)提供一種無電池技術(shù)。它們精準(zhǔn)的輸出功率控制功能和高效的能量采集功能使它們成為小型無線和Beacon應(yīng)用的理想選擇。它們既可以獨(dú)立用作電源，或與鋰電池等其它電池設(shè)備配合使用，用于延長設(shè)備的工作壽命。一個(gè)EH PMIC可以從一個(gè)低電壓開始，適應(yīng)應(yīng)用的需求。MB39C831等某些產(chǎn)品具備最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。MPPT可讓內(nèi)置的DC/DC轉(zhuǎn)換器通過跟蹤輸入功率控制輸出充電功率，從而最大程度提高功率輸出。MB39C811等PMIC支持雙采集輸入，可以從兩個(gè)不同的源采集能量。S6AE101A等優(yōu)化型PMIC（太陽能或光能EHD優(yōu)化型）具備極低的啟動(dòng)和靜態(tài)功耗，可以使用一個(gè)很小的太陽能電池。

　　無電池式無線Beacon的另一個(gè)考慮因素是MCU的選擇。被集成為SoC等可編程系統(tǒng)、同時(shí)支持各種低功耗模式的MCU是此類應(yīng)用的理想選擇。賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）可與那些可用于對(duì)接傳感器的各類外設(shè)緊密集成。尤其是PSoC 4 BLE，它包含多個(gè)低功耗外設(shè)以及一個(gè)BLE射頻單元和BLE協(xié)議棧，從而提供了一個(gè)真正的單芯片BLE傳感器節(jié)點(diǎn)。此外，其對(duì)超低功耗模式的支持還能讓系統(tǒng)與能量采集器、紐扣電池等小型電源無縫配合。實(shí)踐證明，這些能量采集器外加PSoC是無電池型BLE傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的最佳設(shè)計(jì)。

　　有關(guān)PSoC 4 BLE的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記AN91267 ，您還可以參閱應(yīng)用筆記AN92584，詳細(xì)了解如何進(jìn)一步優(yōu)化BLE系統(tǒng)的功耗。請(qǐng)點(diǎn)擊此處，詳細(xì)了解賽普拉斯的PMIC解決方案以及它們的最新特性。

　　附錄

　　A1：EH供電型BLE傳感器節(jié)點(diǎn)中各個(gè)過程的示波器屏幕截圖

　　1） EHS的輸出電壓隨CPU 活動(dòng)的變化。黃色信號(hào)是EHS的輸出電壓，綠色信號(hào)是嵌入式設(shè)備消耗的電流。綠色峰值是CPU活動(dòng)期間的電流消耗，平直信號(hào)是設(shè)備處于低功耗模式時(shí)的電流消耗。

　　請(qǐng)注意，由于能量被消耗，EHS的輸出電壓在每次CPU活動(dòng)時(shí)（綠色峰值信號(hào)）都會(huì)下降。另請(qǐng)注意，低功耗狀態(tài)期間電壓會(huì)恢復(fù)，這是因?yàn)镋HS對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行了充電。

　　2） EHS內(nèi)部不對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行充電時(shí)，EHS的輸出電壓隨CPU 活動(dòng)的變化。請(qǐng)注意，由于能量被耗盡，電壓降至截止電壓以下， EHS輸出此時(shí)會(huì)被關(guān)閉。

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　　3） 設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的電流消耗（綠色信號(hào)）。

　　4） EH供電型Beacon的BLE（TX）活動(dòng)