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如何開發微型太陽能無線傳感器節點

發布時間：2017-10-26 來源：EIJI FUKAWA 責任編輯：wenwei

【導讀】無線傳感器節點通過縮減傳感器尺寸、簡化維護問題和延長電池續航時間來降低實施成本。本文圖文詳解了設計無電池設備的最好方法是通過用於通信和能量采集的低功耗藍牙（BLE）等技術來降低無線傳感器係統的平均功耗。

無線傳感器節點可通過縮減傳感器尺寸、簡化維護問題和延長電池續航時間而降低實施成本。事實上，如果把重點集中在無電池的設計上，將能實現更大的成本效益。

設計無電池設備的最好方法是通過用於通信和能量采集的低功耗藍牙（BLE）等技術來降低無線傳感器係統的平均功耗。

圖1為微型無線傳感器的架構圖。該傳感器使用具有集成BLE射頻的微控製器（MCU）而創建，可以完全使用能量采集電源管理集成電路（IC）所提供的電源運行。

圖1：微型無線傳感器使用具有集成BLE射頻的微控製器（MCU）而創建，經優化後僅用能量采集電源管理IC所提供的電源運行。圖中為完整的無線傳感器 -- CYALKIT-E02太陽能供電BLE傳感器參考設計套件（RDK）。

BLE的優化

為了做到隻用能量采集IC所提供的電源運行，傳感器必須優化其BLE係統以降低功耗。首先，設計人員必須了解BLE子係統的詳情。接下來，需要編寫固件代碼以滿足每種運行/功率模式的要求。然後，設計人員必須分析實際功耗以確認各種假設來進一步提升係統的能效。

降低功耗技術的說明可參考賽普拉斯（Cypress）CYALKIT-E02太陽能供電BLE傳感器參考設計套件（RDK）。該RDK包含一個Cypress PSoC 4 BLE與S6AE10xA能量采集電源管理IC（PMIC）。

簡單、無功率優化的BLE設計要首先把BLE射頻配置為處於不可連接廣播模式的信標。BLE信標是每隔一定時間向外進行廣播的單向通信方法。它包含一些較小的數據包（30字節），而這些數據包構成一個廣播數據包發送出去。想信標被發現可在各類智能手機或計算機應用中推送消息、app操作及提示。

圖2顯示了廣播通道數據包格式的BLE鏈路層格式。BLE鏈路層擁有“Preamble”（前導碼）、“Access Address”（接入地址）、“Protocol Data Unit（PDU）”（協議數據單元）和“Cyclic Redundancy Code（CRC）”（循環冗餘碼）。請注意，以下信息僅適用於廣播通道數據包格式，不含“數據通道數據包”。

“Preamble”必須設置為“10101010b”
“Access Address”必須設置為“10001110100010011011111011010110b（0x8E89BED6）”
“PDU”包含“報頭”和“淨載荷”

BLE信標的數據包結構屬於“淨載荷”中的“廣播數據”。

圖2：廣播通道數據包格式的BLE鏈路層格式。

圖3：BLE信標數據包格式。

表1列出了設置值。

表1：BLE信標格式。

可以使用電壓和電流波形計算平均消耗電流以確定BLE設計的高效。圖4顯示了無功率優化設計的功耗結果。

圖4：無功率優化的BLE設計的電流消耗。

平均電流約為5 mA，從啟動到待機的總功耗為34.76 mJ。為了做到使用環境能量運行，我們需要降低消耗電流。

通過優化固件實現低功耗

通過優化以下4個功能以降低BLE設計的平均電流消耗：

1.低功率啟動

2.深度睡眠

3.IMO時鍾設置

4.調試選擇

當係統處於低功耗模式時，則需要利用看門狗定時器（WDT）來喚醒係統。

低功率啟動

通電複位（POR）後，BLE係統通過調用不同組件的啟動功能對這些組件進行初始化。初始化時通過執行以下步驟實現低功耗運行：

1.在32.768-kHz watch晶體振蕩器（WCO）啟動時，關閉24-MHz外部晶體振蕩器（ECO）以降低功耗。

2.500 ms後（WCO啟動時間），啟用WDT以喚醒係統。

3.將MCU配置成在500 ms WCO啟動時間內處於深度睡眠模式。

4.WCO啟用後，重啟ECO以啟用BLE子係統（BLESS）接口。

5.把WCO置於低功耗模式，並將低頻時鍾（LFCLK）源從32‐kHz內部低速振蕩器（ILO）改為WCO。

6.啟用WDT以喚醒係統。

7.將MCU置於深度睡眠模式。

圖5：低功耗啟動波形。

深度睡眠

用戶設計應管理係統時鍾、係統功率模式和BLESS功率模式，以實現BLE MCU的低功耗運行。在BLE事件間隔期間，建議通過執行以下步驟實現深度睡眠：

1.關閉ECO以降低功耗。

2.1.5s後（BLE事件間隔），啟用WDT以喚醒係統。

3.將MCU置於深度睡眠模式。

4.1.5s後，重啟ECO以啟用BLE子係統（BLESS）接口。

5.發送BLE廣播數據。

6.從步驟1開始重複。

圖6：深度睡眠波形。

IMO時鍾設置

3-MHz到48-MHz內部主振蕩器（IMO）是主要的內部時鍾源。IMO的默認頻率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz範圍內以1 MHz的步長調節。在默認的校準設置下，IMO與本例中RDK的公差為±2%。圖7顯示了改變IMO頻率後的總功耗示例。

圖7：IMO DC規格和示例總功耗。

調試選擇

串行線調試（SWD）引腳用於開發階段的運行時固件調試。將SWD引腳配置為調試模式會增加電流消耗。因此，這些引腳應在最終版本時切換到通用輸入輸出（GPIO）模式，讓它們在芯片複位時仍可用於設備編程。

我們可以使用電壓和電流波形計算BLE設計的平均消耗電流，以確認設計上的優化程度。圖8顯示了功率優化設計的功耗結果。

圖8：功率優化的BLE設計的電流消耗。

平均電流約為1.5µA，從啟動到待機的總功耗為0.106mJ。

采用能量采集技術運行

在這平均電流和總功耗水平上，需要確認係統能夠采用能量采集技術運行。圖9顯示了能量采集係統的框圖。該係統采用了S6AE10xA Energy Harvesting（EH）PMIC係列，可使用CYALKIT-E04 S6AE102A和S6AE103A EVK以及CY8CKIT-042-BLE BLE Pioneer Kit運行一整天。

圖9：能量采集係統框圖。

圖10中的框圖顯示了基於S6AE102A和S6AE103APSoC電路板的PSoC 4 BLE的能量采集過程。 Wave1顯示了基於太陽能的BLE運行，Wave2顯示了發送時的BLE電流消耗。PMIC首先將太陽能存儲到VSTORE1（VST1）上的一個300-μF陶瓷電容器上，。當VST1達到VVOUTH時，能量被發送到MCU用於BLE運行。

圖10：簡單的能量采集。

但是，這種簡單的能量采集過程，在沒有備用電容器的情況下（例如，沒有光線的期間）不能持續運行一整天。

圖11中的框圖和波形顯示了混合儲能控製功能。用於運行係統的能量存儲在VST1中，其餘能量用於對VSTORE2（VST2）進行充電。當沒有環境光線時，VST2中能持續為係統提供能量。

圖11：混合儲能控製功能。

圖12中的波形顯示將能量存儲到VSTORE2時的充電曲線。S6AE10xA將能量存儲到VSTORE1（小電容器）和VSTORE2（大電容器）中。存儲在VSTORE1中的能量用於係統運行，其餘能量用於VSTORE2（VST2）的子儲能器件充電。VSTORE2中持續為係統提供能量，因此，即使在沒有環境光線的情況下，係統也能繼續運行一段時間。