低功耗能量采集传感器方案

    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Bluetooth4.0），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。

　　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）。

　　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。

　　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。