本文提出了一種低功耗能量采集傳感器的實現(xiàn)方案。當傳感器需要發(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，而電池供電的傳感器在幾個月內(nèi)就會耗盡電量。
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)是一項標準操作。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現(xiàn)方案。當傳感器需要發(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，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。實施不同行業(yè)標準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目，如認證（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)，可用于實現(xiàn)免維護的無線傳感器。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)濟高效的無線網(wǎng)絡領(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)計為使用電池工作特定一段時間。能量采集傳感器節(jié)點的優(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，因為它需要高RF能量。機電能量采集設(shè)備通常在電感線圈附近使用磁性運動部件。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。
是否實施無線標準
當添加無線功能時，一些缺乏經(jīng)驗的用戶往往只會想到實施RF行業(yè)標準，如ZigBee或Bluetooth.但是，根據(jù)實際的應用需求，實施特定標準可能是實際要求，也可能不是。一般來說，僅當最終產(chǎn)品必須與市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品兼容時，才需要實施特定標準。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品（由其他公司銷售）兼容，實際上是一個更復雜的商業(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（如用于手機的無線耳機），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）。
實施標準的額外成本
很多時候，當考慮實施特定RF標準時，設(shè)計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。任何RF發(fā)送器（正式名稱為“有意輻射體”）都需要認證。非RF發(fā)送器仍需要FCC或CE認證。但是，其認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認證都是不可避免的。因此，當比較不同的解決方案時，將不考慮這部分成本。
根據(jù)實施的無線標準，總實施成本可能遠超最初預期的成本。實施特定標準的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格（年費）、標準合規(guī)性測試、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項目。ZigBee認證的成本約為3000美元，而這只是認證本身的費用。但實際上，在申請認證之前，還需要執(zhí)行一些特定的預測試并評估設(shè)備是否能通過認證。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，多次采用特定標準需要支付會員費用。還可能需要支付版稅（每芯片）。RF標準認證成本將始終轉(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認證成本，那么單位價格實際將翻一倍。RF標準認證的成本（認證成本本身、預測試和RF測試設(shè)備）可以很容易超過10，000美元。
最低硬件要求
特定的無線標準需要使用專用芯片（如IEEE 802.15.4）。但是，如果您只需要進行單向通信，那么簡單的ISM頻段發(fā)送器就完美適合應用。但是，能量采集無線傳感器節(jié)點還有一些最低要求。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。可以使用ASK（OOK）或FSK調(diào)制。ASK調(diào)制（和OOK）的能量消耗較低，因為在工作的某些時期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，因為它可以達到更高的數(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。這可以通過仔細地對設(shè)備的工作周期與低功耗關(guān)斷模式進行平衡來實現(xiàn)。根據(jù)應用本身的響應時間，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)捕捉的實際物理信息，可消耗或多或少的電流。典型示例包括運放和橋式稱重傳感器，它們在工作時需要相當大的電流（相對于發(fā)送RF數(shù)據(jù)時的電流消耗）。
對于實際的無線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)驗法則在這里同樣適用。系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設(shè)計，以消除所有不必要的功耗，例如避免LED始終點亮。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模式。
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。這可實現(xiàn)最大為100 Kbps的比特率。如果我們使用由一個16位前導碼、一個16位同步模式和一個32位有效負載組成的小數(shù)據(jù)包，只需要640 ？s即可發(fā)送一個完整的數(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算發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量
E = 10.5 mA * 640μsà10.5 mA * 3.0v * 640μs = 31.5 mW * 640μs = 20.16μJ
對于我們的PIC12LF1840T48A設(shè)計示例，我們知道晶振起振時間典型值為650μs，并且晶振起振時消耗的電流約為5 mA.因此起振功耗為：
E1 = 5 mA * 3.0v * 650μs = 9.75μJ
我們的示例中使用的實際數(shù)據(jù)傳輸包含16位前導符（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640μs.對于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 * 640μs = 23.04μJ
如果我們使用簡單的10 Kbps傳輸，那么所用能量為：
E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144μJ
這種對比只是為了說明使用高數(shù)據(jù)速率的重要性。
發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)位后，PIC12F1840T48A發(fā)送器將自動超時并恢復至低功耗關(guān)斷狀態(tài)。此超時周期的最小值為2 ms.增加的能耗為：
E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72μJ
因此，發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的總能耗為：
E = E1 + E2 + E3 = 9.75μJ + 23.04μJ + 72μJ =104.79μJ
不過，電流輸出為4.5μA/3V的微型太陽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/40μA）的低成本太陽能電池，產(chǎn)生的功率僅為：
3v * 40μA = 140μW
現(xiàn)在我們可以計算出采集到足夠進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量所需的時間：
T = 104.79μJ/ 140μW = 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間。此外，還必須注意，上述計算公式適用于太陽能電池無限擁有持續(xù)光源的情況。當然，這在大多數(shù)情況下是不可能實現(xiàn)的，因為主要能量來源是白天才有的自然光。在這種情況下，必須對計算進行擴展，以考慮到能量采集系統(tǒng)需要在白天存儲能量供沒有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未計算實際傳感器測量所需的能量。
可能的實現(xiàn)選項
根據(jù)實際的系統(tǒng)要求，實現(xiàn)能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括：
-將能量采集到超級電容中。
-可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進行涓流充電。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，無需將能量存儲到單獨的設(shè)備中。當然，此選項的適用性非常有限。
為什么使用能量采集
當開發(fā)低功耗無線傳感器節(jié)點時，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)的部署和維護成本。您曾經(jīng)有多少次需要在凌晨1點爬梯子更換煙霧探測器的電池？監(jiān)視和更換無線傳感器網(wǎng)絡電池的維護成本大大高于設(shè)備本身的成本，尤其是無線傳感器系統(tǒng)安裝在遠端或難以觸及的區(qū)域時。當需要定期維護服務時，無線系統(tǒng)的規(guī)模（傳感器數(shù)）也會成為一個較大因素。借助能量采集技術(shù)，我們可以采集“免費的”能量并存儲該能量以供確實需要時使用，而無需對無線系統(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)在能夠以更具競爭力的價格點設(shè)計能量采集無線傳感器節(jié)點，尤其是業(yè)務上不需要支持某些更復雜的無線網(wǎng)絡標準（例如ZigBee或Wi-Fi？）時。大多數(shù)新無線傳感器設(shè)計甚至不需要電池，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。這會是一個巨大的優(yōu)勢，并且可以節(jié)省大量維護成本，尤其是傳感器位于難以或者無法觸及的位置時。通過更加細心地選擇通信協(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。
