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低功耗能量采集傳感器方案

發布時間：2015-02-27 責任編輯：susan

【導讀】本文提出了一些簡單的低功耗能量采集技術，可用於實現免維護的無線傳感器。此外，本文還將展示如何在提供穩固性能的同時保持較低的總成本，特別是在經濟高效的無線網絡領域。

智能環境代表了家庭自動化和樓宇自動化的未來。各種傳感器、kongzhiqihezhixingqifenbuzaizhenggehuanjingzhong，bingfahuiduozhongzuoyong。zhezhongfenbuyedailaileyixiejishutiaozhan。liru，meigechuanganqidouxuyaoyouzijidedianyuan。jianshidianchidedidianliangzhuangtaishiyixiangbiaozhuncaozuo。danshi，genghuandianchixuyaorengongfuzhu。benwentichuleyizhongdigonghaonengliangcaijichuanganqideshixianfangan。dangchuanganqixuyaofasongdaliangshujuhuozhixinglianxuceliangshi，nengliangcaijigongdiandewuxianchuanganqigengweishihe。caiyongnengliangcaijigongdiandechuanganqikezaishunianneiwanquanmianweihu，erdianchigongdiandechuanganqizaijigeyueneijiuhuihaojindianliang。

如ru今jin的de無wu線xian傳chuan感gan器qi實shi現xian方fang案an五wu花hua八ba門men。但dan是shi，此ci類lei係xi統tong的de總zong成cheng本ben不bu僅jin僅jin取qu決jue於yu硬ying件jian。實shi施shi不bu同tong行xing業ye標biao準zhun的de成cheng本ben也ye會hui增zeng加jia總zong成cheng本ben。這zhe不bu僅jin包bao括kuo附fu加jia的de軟ruan硬ying件jian要yao求qiu，還hai包bao括kuo不bu甚shen明ming顯xian的de項xiang目mu，如ru認ren證zheng（例如ZigBee和Bluetooth4.0），甚至可能涉及版稅。

能量采集原理

能量采集係統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。主要的區別在於（非充電式）電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)設(she)計(ji)為(wei)使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)特(te)定(ding)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)。能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)的(de)優(you)勢(shi)是(shi)，可(ke)以(yi)無(wu)限(xian)采(cai)集(ji)能(neng)量(liang)供(gong)將(jiang)來(lai)使(shi)用(yong)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，它(ta)能(neng)夠(gou)采(cai)集(ji)的(de)能(neng)量(liang)非(fei)常(chang)有(you)限(xian)（受價格和/或物理尺寸限製）。因此，必須對無線發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。

不同的能量采集設備

目前，市場上有多種不同的能量采集設備可選。最常用的設備為太陽能電池板。它有著不同的尺寸，從串聯和/或並聯多個太陽能電池的大型電池板，到用於手持式計算器或玩具的超小型電池。

另一種類型的設備是RF采集設備。此設備使用天線接收無線電波，然後將其轉換為電能。這是一種非常特別的能量采集設備，因為它需要高RF能(neng)量(liang)。機(ji)電(dian)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)在(zai)電(dian)感(gan)線(xian)圈(quan)附(fu)近(jin)使(shi)用(yong)磁(ci)性(xing)運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)。熱(re)電(dian)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)設(she)備(bei)可(ke)通(tong)過(guo)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)產(chan)生(sheng)少(shao)量(liang)電(dian)能(neng)。這(zhe)類(lei)熱(re)能(neng)設(she)備(bei)依(yi)賴(lai)於(yu)塞(sai)貝(bei)克(ke)效(xiao)應(ying)。

是否實施無線標準

當添加無線功能時，一些缺乏經驗的用戶往往隻會想到實施RF行業標準，如ZigBee或Bluetooth。但(dan)是(shi)，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)，實(shi)施(shi)特(te)定(ding)標(biao)準(zhun)可(ke)能(neng)是(shi)實(shi)際(ji)要(yao)求(qiu)，也(ye)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，僅(jin)當(dang)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)必(bi)須(xu)與(yu)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)現(xian)有(you)產(chan)品(pin)兼(jian)容(rong)時(shi)，才(cai)需(xu)要(yao)實(shi)施(shi)特(te)定(ding)標(biao)準(zhun)。選(xuan)擇(ze)使(shi)產(chan)品(pin)與(yu)其(qi)他(ta)產(chan)品(pin)（由其他公司銷售）兼容，實際上是一個更複雜的商業決策。需要權衡是否提供兼容性。此外，在一些情況下必須提供兼容性（如用於手機的無線耳機），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）。

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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點。任何RF發送器（正式名稱為“有意輻射體”）都需要認證。非RF發送器仍需要FCC或CE認證。但是，其認證操作相對比較簡單且便宜。對於任何無線傳感器來說，FCC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(mei)元(yuan)，而(er)這(zhe)隻(zhi)是(shi)認(ren)證(zheng)本(ben)身(shen)的(de)費(fei)用(yong)。但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)，在(zai)申(shen)請(qing)認(ren)證(zheng)之(zhi)前(qian)，還(hai)需(xu)要(yao)執(zhi)行(xing)一(yi)些(xie)特(te)定(ding)的(de)預(yu)測(ce)試(shi)並(bing)評(ping)估(gu)設(she)備(bei)是(shi)否(fou)能(neng)通(tong)過(guo)認(ren)證(zheng)。專(zhuan)用(yong)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)的(de)租(zu)金(jin)為(wei)每(mei)月(yue)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換為額外的成本和延期，直到產品發布。

硬件本身的單位成本通常在1至1.5美元（1萬件）範圍內。僅生產少量產品時，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，那麼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，如果您隻需要進行單向通信，那麼簡單的ISMpinduanfasongqijiuwanmeishiheyingyong。danshi，nengliangcaijiwuxianchuanganqijiedianhaiyouyixiezuidiyaoqiu。jianyicaiyonggaoshujusulv。yibanlaishuo，shujusulvyuegao，xuyaodegonglvjiuyueduo。danzongshujubaochangduhuixiaohenduo，yincinengliangxiaohaohuijiangdi。keyishiyongASK（OOK）或FSK調製。ASK調製（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，FSK仍為首選，因為它可以達到更高的數據速率。例如，Microchip的具有集成發送器的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調製時，數據發送可以快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調製的RF好得多，尤其是在較高數據速率的情況下。

優化功耗

wuxiannengliangcaijichuanganqizaigongzuoshixuyaojinkenengjianshaogonghao。zhekeyitongguozaixididuishebeidegongzuozhouqiyudigonghaoguanduanmoshijinxingpinghenglaishixian。genjuyingyongbenshendexiangyingshijian，chuanganqixuyaopinfanhuoouerfasongceliangdechuanganqixinxi。lianggegongzuozhouqizhijiandeshijianjiangeyuechang，pingjungonghaoyuedi，shijishiyongdenengliangjiuyueshao。

傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)能(neng)還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)兩(liang)次(ci)無(wu)線(xian)電(dian)傳(chuan)輸(shu)之(zhi)間(jian)捕(bu)捉(zhuo)多(duo)個(ge)數(shu)據(ju)采(cai)樣(yang)。根(gen)據(ju)捕(bu)捉(zhuo)的(de)實(shi)際(ji)物(wu)理(li)信(xin)息(xi)，可(ke)消(xiao)耗(hao)或(huo)多(duo)或(huo)少(shao)的(de)電(dian)流(liu)。典(dian)型(xing)示(shi)例(li)包(bao)括(kuo)運(yun)放(fang)和(he)橋(qiao)式(shi)稱(cheng)重(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)們(men)在(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)需(xu)要(yao)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)電(dian)流(liu)（相對於發送RF數據時的電流消耗）。

對於實際的無線RF發送配置，需要特別注意。幅值或頻率調製、信息的發送速率（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——這一經驗法則在這裏同樣適用。係統需要經過精心設計，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於低功耗狀態。板上的所有其他器件在未使用時都必須處於低功耗待機模式。

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建議的示例

PIC12LF1840T48A器件上的RF發送器提供了最高為200 kHz的頻率偏差。這可實現最大為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據包，隻需要640 μs即可發送一個完整的數據包。已知能量的度量單位稱為焦耳（J），並且：

　　1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s

我們可以使用以下公式輕鬆計算發送一個數據包所消耗的能量：

　　E = 10.5 mA * 640 μs à 10.5 mA * 3.0v * 640 μs = 31.5 mW * 640 μs = 20.16 μJ

對於我們的PIC12LF1840T48A設計示例，我們知道晶振起振時間典型值為650 μs，並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 * 650 μs = 9.75 μJ

我們的示例中使用的實際數據傳輸包含16位前導符（101010....）、16位同步模式和32位數據。如果選擇100 Kbps的比特率，則傳輸周期為640 μs。對於868 MHz FSK調製下的+0 dB RF傳輸，消耗的電流為12 mA。

　　E2 = 12 mA * 3v * 640 μs = 23.04 μJ

如果我們使用簡單的10 Kbps傳輸，那麼所用能量為：

　　E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144 μJ

這種對比隻是為了說明使用高數據速率的重要性。

發送最後一個數據位後，PIC12F1840T48A發送器將自動超時並恢複至低功耗關斷狀態。此超時周期的最小值為2 ms。增加的能耗為：

　　E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72 μJ

因此，發送一個數據包的總能耗為：

　　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的微型太陽能電池需要工作多少秒才能獲得僅夠一次數據發送的能量。例如，使用可產生3V/6 mA（最佳情況為3V/40 μA）的低成本太陽能電池，產生的功率僅為：

　　3v * 40 μA = 140 μW

現在我們可以計算出采集到足夠進行一次數據發送的能量所需的時間：

　　T = 104.79 μJ/ 140 μW = 0.74s

這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元(yuan)在(zai)連(lian)續(xu)的(de)兩(liang)次(ci)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)之(zhi)間(jian)必(bi)須(xu)等(deng)待(dai)不(bu)到(dao)一(yi)秒(miao)的(de)時(shi)間(jian)。此(ci)外(wai)，還(hai)必(bi)須(xu)注(zhu)意(yi)，上(shang)述(shu)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)適(shi)用(yong)於(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)無(wu)限(xian)擁(yong)有(you)持(chi)續(xu)光(guang)源(yuan)的(de)情(qing)況(kuang)。當(dang)然(ran)，這(zhe)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)的(de)，因(yin)為(wei)主(zhu)要(yao)能(neng)量(liang)來(lai)源(yuan)是(shi)白(bai)天(tian)才(cai)有(you)的(de)自(zi)然(ran)光(guang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，必(bi)須(xu)對(dui)計(ji)算(suan)進(jin)行(xing)擴(kuo)展(zhan)，以(yi)考(kao)慮(lv)到(dao)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)在(zai)白(bai)天(tian)存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)供(gong)沒(mei)有(you)自(zi)然(ran)光(guang)的(de)夜(ye)晚(wan)使(shi)用(yong)。此(ci)外(wai)，本(ben)示(shi)例(li)中(zhong)未(wei)計(ji)算(suan)實(shi)際(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)。
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可能的實現選項

根據實際的係統要求，實現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）連續可用並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備中。當然，此選項的適用性非常有限。

為什麼使用能量采集

當dang開kai發fa低di功gong耗hao無wu線xian傳chuan感gan器qi節jie點dian時shi，使shi用yong能neng量liang采cai集ji解jie決jue方fang案an的de主zhu要yao好hao處chu不bu是shi節jie省sheng無wu線xian解jie決jue方fang案an的de單dan位wei成cheng本ben，而er是shi節jie省sheng無wu線xian傳chuan感gan器qi係xi統tong的de部bu署shu和he維wei護hu成cheng本ben。您nin曾zeng經jing有you多duo少shao次ci需xu要yao在zai淩ling晨chen1點dian爬pa梯ti子zi更geng換huan煙yan霧wu探tan測ce器qi的de電dian池chi？監jian視shi和he更geng換huan無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo電dian池chi的de維wei護hu成cheng本ben大da大da高gao於yu設she備bei本ben身shen的de成cheng本ben，尤you其qi是shi無wu線xian傳chuan感gan器qi係xi統tong安an裝zhuang在zai遠yuan端duan或huo難nan以yi觸chu及ji的de區qu域yu時shi。當dang需xu要yao定ding期qi維wei護hu服fu務wu時shi，無wu線xian係xi統tong的de規gui模mo（傳感器數）也會成為一個較大因素。借助能量采集技術，我們可以采集“免費的”能量並存儲該能量以供確實需要時使用，而無需對無線係統的功耗施加明顯的限製即可確保5年以上的電池壽命，這樣客戶便不再需要更換電池。

結論

現在能夠以更具競爭力的價格點設計能量采集無線傳感器節點，尤其是業務上不需要支持某些更複雜的無線網絡標準（例如ZigBee或Wi-Fi?）時。大多數新無線傳感器設計甚至不需要電池，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中（例如基於血糖的采集源）。

zaizhengchangqingkuangxia，digonghaonengliangcaijiwuxianchuanganqijihukewuxianqigongzuo，bingqiecongbuxuyaorenherengongganyu。zhehuishiyigejudadeyoushi，bingqiekeyijieshengdaliangweihuchengben，youqishichuanganqiweiyunanyihuozhewufachujideweizhishi。tongguogengjiaxixindixuanzetongxinxieyiheshujuchuanshusulv，binggenghaodiliyongxinxingRF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。

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