背景

盡管物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的激增是無(wú)可爭(zhēng)議的，但迄今只有少數(shù)出版物就有關(guān)能源供應(yīng)問(wèn)題啟發(fā)了公眾，支持迅速增長(zhǎng)的傳感器和收發(fā)器數(shù)量。

 

Trillion Sensor Visions：萬(wàn)億傳感器前景預(yù)測(cè)

Sensors/year：傳感器/每年

在法國(guó)南錫舉行的2018年世界材料論壇(World Material Forum)上，證實(shí)了IoT的快速增長(zhǎng)

以及對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)母咭髮⒊蔀樵擁?xiàng)目可持續(xù)性的重要問(wèn)題。 因此，任何形式的能量采集都是受歡迎的，除非絕對(duì)強(qiáng)制。

 

應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的全面潛在方案包括：

•設(shè)計(jì)超低功耗嵌入式硬件平臺(tái)

•智能系統(tǒng)級(jí)電源管理

•從工作環(huán)境中采集能量來(lái)使設(shè)備自供電

 

在實(shí)施這些方案時(shí)，電子設(shè)計(jì)人員必須記住，IoT傳感器不僅必須測(cè)量一個(gè)值（包括溫度，濕度，污染，光照水平），而且還必須將該值傳達(dá)給其系統(tǒng)主機(jī) –通常是無(wú)線(xiàn)的–以有限的電源。

 

為了實(shí)現(xiàn)這，必須全面考慮設(shè)計(jì)中的每個(gè)系統(tǒng)級(jí)組件，包括傳感器、接收器、能源和通信占空比。

 

本白皮書(shū)將探討安森美半導(dǎo)體的高能效方案如何用最尖端的持續(xù)感知器技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)電池應(yīng)用。

 

超低功耗收發(fā)器和通信協(xié)議

設(shè)計(jì)的第一步是選擇既超低功耗又支持無(wú)線(xiàn)協(xié)議以傳輸信息的RF收發(fā)器。適當(dāng)?shù)臒o(wú)線(xiàn)協(xié)議應(yīng)支持并含以下特性：

•支持局域網(wǎng)傳輸距離

（室內(nèi)約幾十米）

•通過(guò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)低功耗

（短幀和低Tx功率可減少CPU和無(wú)線(xiàn)電功率預(yù)算）

•支持安全傳輸（例如加密）

•提供簡(jiǎn)單的接收機(jī)制（信標(biāo)）

•提供易用的硬件實(shí)施

（例如，傳感器和收發(fā)器之間的直接接口）

•高集成度（SiP或單芯片）

•提供標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議（IEEE或SIG類(lèi)型），包括傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的互操作性

•低實(shí)施成本以支持大眾市場(chǎng)可用性

 

幸運(yùn)的是，藍(lán)牙特別興趣小組(SIG)和Zigbee®聯(lián)盟現(xiàn)在提供無(wú)線(xiàn)協(xié)議，專(zhuān)注于優(yōu)化各自的協(xié)議多年。 現(xiàn)在，我們提供了藍(lán)牙5以及Zigbee Green Power協(xié)議，在短幀持續(xù)時(shí)間、安全性和發(fā)射功率進(jìn)行了優(yōu)化。

 

傳輸所需的所有信息以在不到10毫秒（ms）的時(shí)間內(nèi)聯(lián)接。關(guān)鍵是如何用能源優(yōu)化的器件實(shí)施這些協(xié)議，并充分利用電壓和電流資源。安森美半導(dǎo)體基于其在超低功耗微控制器和助聽(tīng)器音頻的專(zhuān)知設(shè)計(jì)了器件，在6 dBm時(shí)的功率預(yù)算低至10 mW。 現(xiàn)在有幾種產(chǎn)品可以解決挑戰(zhàn)：支持Zigbee協(xié)議的NCS36510和支持藍(lán)牙低功耗的RSL10。協(xié)議的組合與智能電源實(shí)施要求得出以下方程式，如圖2所示。

 

ON Semiconductor Technology：安森美半導(dǎo)體技術(shù)

IoT Protocols ZIGBEE GP; BLE UNB SubGHz：IoT協(xié)議ZIGBEE GP；藍(lán)牙低功耗UNB SubGHz

Harvesters: 能量采集器

 

圖2. IoT應(yīng)用能耗的“經(jīng)驗(yàn)法則”

 

選擇能量采集源

圖2中的方程式為我們提供了現(xiàn)代低功耗聯(lián)接和通信協(xié)議的能源需求的指導(dǎo)原則。 剩下的就是選擇合適的采集源和使用范圍。 時(shí)間是另一個(gè)必須考慮的因素。持續(xù)采集方案產(chǎn)生的功率可能很低，但目的是隨時(shí)間進(jìn)行累積，因此增益因子很重要。 例如，采集1秒并傳輸10 ms會(huì)產(chǎn)生100的增益。相比之下，采集10秒并傳輸5 ms會(huì)產(chǎn)生2000的增益。電解電容器技術(shù)完全支持?jǐn)?shù)秒范圍內(nèi)的能量累積。

 

基于太陽(yáng)能的能量采集

以RSL10藍(lán)牙5無(wú)線(xiàn)電或NCS36510 Zigbee系統(tǒng)單芯片（SoC）為例，我們可以計(jì)算出，在協(xié)議傳輸期間（持續(xù)最多10 ms），我們將需要大約10 mA的電流。 對(duì)于每秒的傳輸，我們可以將增益提高100倍。 如果傳輸每10秒發(fā)生一次，則增益將為1000x。 這意味著我們可以為太陽(yáng)能采集器設(shè)定10 mA / 100 = 100 _A或10 mA / 1000 = 10 _A的電流源。

有趣的是，像Ribes Tech的FlexRB-25-3030這樣的太陽(yáng)能電池在200勒克斯(lux)時(shí)提供16 _A或在1000 lux時(shí)提供80 _A。 這正滿(mǎn)足所需。

 

Working voltage：工作電壓

Working current: 工作電流

Maximum voltage: 最大電壓

Maximum current: 最大電流

min:最小值

typ: 典型值

max: 最大值

lux: 勒克斯

Current:電流

Voltage：電壓

圖中顯示的J-V曲線(xiàn)在1000 lux光源熒光燈管6500 K下測(cè)得

 

圖3. Ribes Tech的FlexRB−25−7030、FlexRB-20-6030的電氣規(guī)格

 

使用Ribes Tech的FlexRB-25-3030之類(lèi)的太陽(yáng)能電池將使我們能夠提供一種自主傳感器，以1到10秒的占空比發(fā)送藍(lán)牙低功耗或Zigbee幀。

 

常見(jiàn)照明條件

大多數(shù)太陽(yáng)能電池的特征在于兩組照明條件：200 lux和1000 lux。這些條件涵蓋了廣泛的日常照明，如下表所示

 

表1. 常見(jiàn)的照明工作條件

 

 

*使用在iPhone®6上運(yùn)行的Velux的Luxmeter應(yīng)用程序進(jìn)行的測(cè)量。

**不建議將其作為實(shí)際配置的工作條件。

 

持續(xù)測(cè)量域

根據(jù)本文檔前面提到的信息，我們可以開(kāi)始研究整個(gè)采集系統(tǒng)的行為。必須有一個(gè)能量預(yù)加載階段，以便器件在觸發(fā)第一次通信之前從太陽(yáng)能電池中采集能量。下一節(jié)（技術(shù)挑戰(zhàn)）將詳細(xì)介紹成功實(shí)施的各種技巧和指南。一旦器件捕獲并存儲(chǔ)了足夠的能量，微控制器（MCU）就必須設(shè)置通信參數(shù)，Tx功率，信道選擇和溫度測(cè)量。

該活動(dòng)將在MCU大部分處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)獲得，因此緩沖的能量必須足夠高，以傳輸盡可能多的信標(biāo)幀。

 

Preload：預(yù)載

圖4.在給定照明條件下的概念能耗視圖

以2秒的占空比，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)電池傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)能夠測(cè)量緩慢變化的參數(shù)（例如，濕度，溫度，大氣壓力，室內(nèi)參數(shù)，光強(qiáng)度）。

 

技術(shù)挑戰(zhàn)和實(shí)施

 

聯(lián)接

第一步是選擇通信和數(shù)據(jù)處理IC，該IC可以支持所需的通信協(xié)議，并具有由采集器件規(guī)定的可用能量預(yù)算。 在大多數(shù)情況下，要求選定的器件支持高能效的待機(jī)和深度睡眠模式，以在不需要任何操作時(shí)節(jié)能。為了簡(jiǎn)化電源傳輸，首選具有最小輸入電壓或?qū)捿斎腚妷悍秶钠骷?這樣，可以使用簡(jiǎn)單的降壓或線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)或限制系統(tǒng)電壓。

類(lèi)似的要求也適用于系統(tǒng)中使用的傳感器。 如果不能提供睡眠模式，則可以實(shí)施電源門(mén)控以在不需要感測(cè)時(shí)禁用傳感器電源。

 

儲(chǔ)能

下一部分要考慮的是儲(chǔ)能和能量管理，用于為傳感器和微控制器供電。為了存儲(chǔ)所采集的能量，可能有多種方法。 哪種方法最合適取決于目標(biāo)應(yīng)用的要求。 通常，可以使用基于電容器或電池的方案。

 

基于電容器的方案通常比電池方案在相同體積下具有較低的整體容量，這是因?yàn)樗鼈兊哪芰棵芏容^低。 這使得電池更適合于需要長(zhǎng)時(shí)間在無(wú)光源時(shí)保持工作的傳感器。

 

Ragone Plot of Electrochemical Devices：電化學(xué)器件的Ragone圖

Fuel Cells：燃料電池

Lead-Acid Battery：鉛酸蓄電池

NICd Battery：NICd電池

Lithium Battery：鋰電池

Double-Layer Capacitors: 雙層電容器

Ultra-Capacitors：超級(jí)電容器

Aluminum-Electrolytic Capacitors：鋁電解電容器

Power Density：功率密度

Source US Defence Logistics Agency：來(lái)源美國(guó)國(guó)防后勤局
 

圖5. Ragone圖幫助我們選擇適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能技術(shù)

 

基于電池的系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)是它們通常需要更復(fù)雜的能量管理系統(tǒng)。這包括充電和放電控制以及針對(duì)過(guò)度充電和過(guò)度放電的電池保護(hù)。這增加了系統(tǒng)復(fù)雜性以及物料單(BOM)（成本），因?yàn)檫@種能量管理系統(tǒng)通常涉及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（額外的無(wú)源器件），并且由于所需的功能而導(dǎo)致更復(fù)雜的IC。芯片的復(fù)雜性以及對(duì)高能效和低靜態(tài)電流的要求通常導(dǎo)致相當(dāng)昂貴的IC方案。

 

在不需要更長(zhǎng)的工作時(shí)間而不暴露于光線(xiàn)的應(yīng)用中，基于電容器的方案可能是一種更具成本效益的方案。該存儲(chǔ)電容器臨時(shí)累積來(lái)自太陽(yáng)能采集器件的能量，直到有足夠的能量可用于執(zhí)行測(cè)量并傳輸結(jié)果為止。當(dāng)使用具有足夠額定電壓的電容器時(shí)，不需要充電電路。所用的太陽(yáng)能采集器暴露在預(yù)期峰值亮度下時(shí)的開(kāi)路電壓決定了最大輸入電壓。如果電容器的額定電壓超過(guò)開(kāi)路電壓，則無(wú)需充電電路或保護(hù)。

 

對(duì)于基于電池和電容器的方案，都需要調(diào)節(jié)輸出電壓，以為聯(lián)接的電路（傳感器、微控制器等）提供適當(dāng)?shù)碾妷?。使用基于鋰的存?chǔ)選項(xiàng)的系統(tǒng)達(dá)到的電壓高于4 V，該電壓通常超出傳感器和微控制器的輸入電壓范圍。為了匹配通常為1.8至3.3 V的電源電壓，需要降壓轉(zhuǎn)換。在基于電容器的系統(tǒng)中，電壓與所存儲(chǔ)的電荷量線(xiàn)性相關(guān)。這可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)放電周期的電壓變化很大，而這并不是所有傳感器或微控制器都能接受的，因此需要某種穩(wěn)壓器來(lái)穩(wěn)定電源。

 

圖6. RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板

 

RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板（RSL10-SOLARSENS-GEVK）是用于無(wú)電池IoT應(yīng)用（包括智能建筑，智能家居和工業(yè)4.0）的綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 該板基于業(yè)界最低功耗的藍(lán)牙低功耗無(wú)線(xiàn)電（RSL10），含用于溫度和濕度感測(cè)的多個(gè)傳感器（BMA400-智能3軸加速度計(jì)，BME280-智能環(huán)境傳感器和NCT203寬范圍數(shù)字溫度傳感器） 。

 

該板還具有一個(gè)47__F的超低成本、低重量和薄型存儲(chǔ)電容器，一個(gè)編程和調(diào)試接口以及一個(gè)聯(lián)接的太陽(yáng)能電池。

 

由于該器件從低電流源采集能量，因此在運(yùn)行和采集能量時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的漏電流很小是很重要的。 為此選擇了幾種智能器件，其中包括板載的超低靜態(tài)電流LDO（NCP170）。

 

PV CELL：光伏電池

Load：負(fù)載

10Vmax Capacitor：10 V最大電容

CLAMP：鉗位

RSL10 beacon with 10s + 2s timer：RSL10信標(biāo)，10s + 2s計(jì)時(shí)器
 

圖7.多傳感器板的概念圖

 

BLE5.0 Advertising：藍(lán)牙低功耗5.0廣告

Gateway：網(wǎng)關(guān)

Cloud：云
 

圖8.完整的系統(tǒng)總覽，包括傳感器、網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)

 

有了這份資產(chǎn)清單，潛在的應(yīng)用范圍非常廣泛，讓我們快速瀏覽一下它們：

 

智能建筑：

●氣候控制（環(huán)境）

●窗戶(hù)破損檢測(cè)（3軸加速度計(jì)）

●樓宇自動(dòng)化（兼具環(huán)境及3軸加速度計(jì)）

●門(mén)破損檢測(cè)（3軸加速度計(jì)）

●門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)報(bào)告（3軸加速度計(jì)）

●會(huì)議室占用監(jiān)控（兼具環(huán)境及3軸加速度計(jì)）

 

智能家居

●環(huán)境控制（環(huán)境）

●屋頂和窗戶(hù)控制（兼具環(huán)境及3軸加速度計(jì)）

●窗戶(hù)破損（入侵）檢測(cè)（3軸加速度計(jì)）

 

工業(yè)4.0 /智慧城市

●空氣污染檢測(cè)（環(huán)境）

●工人安全（兼具環(huán)境及3軸加速度計(jì)）

●安防監(jiān)控（3軸加速度計(jì)）

 

移動(dòng)健康

●集成/便攜式傳感器（3軸加速度計(jì)）

●自行車(chē)/摩托車(chē)主動(dòng)式頭盔（3軸加速度計(jì)）

 

圖9. 在Embedded World 2019的無(wú)電池窗戶(hù)傳感器演示

 

硬件設(shè)置和優(yōu)化

RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板使用安森美半導(dǎo)體的RSL10處理測(cè)量數(shù)據(jù)，并以藍(lán)牙低功耗廣告數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)果。可以使用智能手機(jī)或任何其他支持藍(lán)牙低功耗的設(shè)備接收數(shù)據(jù)包以進(jìn)行可視化。

 

鋁電解電容器將用作主要的儲(chǔ)能。太陽(yáng)能采集器的開(kāi)路電壓范圍為3至6 V，因此可以在電路中使用約10 V的額定電容器，而無(wú)需任何輸入鉗位或保護(hù)。在電路中，電容器通過(guò)太陽(yáng)能采集元件直接充電，僅需串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。放置該二極管可避免采集器使電容器放電。我們將在后面討論電容器的容量，因?yàn)樗Q于后面幾節(jié)中討論的其他幾個(gè)方面。 

 

RSL10 SoC包含一個(gè)集成的DC - DC降壓穩(wěn)壓器，使芯片可在寬范圍的輸入電壓（1.1至3.3 V）下工作而無(wú)需額外的穩(wěn)壓器。由于在非常明亮的情況下，所用的太陽(yáng)能采集器可能會(huì)超過(guò)RSL10的最大額定電壓，因此將線(xiàn)性穩(wěn)壓器用作限壓器。如果輸入電壓超過(guò)3.3 V，則穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生恒定的電源電壓。如果電壓低于3.3 V，則穩(wěn)壓器將不加調(diào)節(jié)地使電容器電壓通過(guò)。由于穩(wěn)壓器僅在可用能量“太多”的情況下使用，因此多余的能量轉(zhuǎn)化為熱量是毫無(wú)問(wèn)題的。如果對(duì)功率的需求增加，則電容器電壓將下降，穩(wěn)壓器將不再工作并“浪費(fèi)”能量。然而，穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單性導(dǎo)致較低的靜態(tài)電流。這是必不可少的，因?yàn)樗鼘⒂兄谠谖⒐馇闆r下保持可用能量。圖10顯示了一個(gè)典型的工作場(chǎng)景，在較低功耗時(shí)限制電壓。當(dāng)電容器電壓下降到3.3 V以下（由于更高的功耗）時(shí)，LDO穩(wěn)壓器不再工作，并使電壓直接通過(guò)。

 

Capacitor Voltage：電容器電壓

Limited MCU Supply Voltage：有限的MCU供電電壓
 

圖10.使用LDO穩(wěn)壓器限壓

 

當(dāng)系統(tǒng)完全放電然后暴露在光線(xiàn)下時(shí)，電容器的電壓將隨著電荷的積累而緩慢上升。默認(rèn)情況下，RSL10一旦達(dá)到其較低的閾值電壓（?1 V），就會(huì)（嘗試）啟動(dòng)。只有在太陽(yáng)能采集器連續(xù)提供啟動(dòng)所需的功率才起作用，以將電容器電壓維持在1 V。如果太陽(yáng)能收集器提供的功率少于所需的功率，則電容器電壓將下降。當(dāng)電壓低于?1 V的閾值時(shí)，啟動(dòng)失敗，因?yàn)镽LS10將關(guān)斷。當(dāng)太陽(yáng)能采集器的能量輸出低于啟動(dòng)期間的RSL10消耗時(shí)，將重復(fù)此序列。

 

由于采集器通常無(wú)法在所有（光照）情況下產(chǎn)生那么多的能量，因此需要啟動(dòng)電路以確?？煽康膯?dòng)。

 

用于該演示器的電路可確保在為RSL10和其他器件供電之前，對(duì)存儲(chǔ)電容器進(jìn)行充分的預(yù)充電。為確保成功啟動(dòng)，存儲(chǔ)電容器需要維持系統(tǒng)完全啟動(dòng)所需的能量。在我們的用例中，啟動(dòng)是從初始上電到系統(tǒng)可以進(jìn)入其深度睡眠模式的時(shí)間點(diǎn)的序列。

 

可以測(cè)量執(zhí)行此序列所需的能量。根據(jù)所需能量和微控制器的典型輸入電壓范圍，確定所需電容器的最小尺寸。對(duì)于提出的基于RSL10的應(yīng)用，啟動(dòng)需要?120 _J。結(jié)合所需的?1.5至3 V電壓范圍，這將導(dǎo)致理論上的最小電容為35.6 _F。實(shí)際上，應(yīng)使用更大的電容器來(lái)補(bǔ)償由制造容限、不同的工作溫度或組件老化等因素引起的電容變化。

 

啟動(dòng)和保持電路

 

要啟用和禁用RSL10的電源，使用鉗位LDO穩(wěn)壓器的使能信號(hào)。使能的輸入由兩個(gè)來(lái)源生成。第一個(gè)源由電壓監(jiān)控器IC（安森美半導(dǎo)體的MAX809）產(chǎn)生，該電壓監(jiān)控器IC由電容器輸入電壓供電，一旦電容器電壓超過(guò)2.63 V，它將啟用LDO穩(wěn)壓器。第二個(gè)輸入用于確保使能引腳保持輸出電壓足夠高。根據(jù)所需的閾值，可以使用LDO的默認(rèn)關(guān)斷閾值（對(duì)于NCP170> 1.2 V；在?1.5 V時(shí)測(cè)量）。在這種情況下，LDO的輸出電壓被反饋到使能引腳。如果需要更高的關(guān)斷電壓，則可以添加閾值> 1.5 V的附加電壓監(jiān)控器，一旦LDO輸出降至電壓監(jiān)控器定義的閾值以下，將使能下拉。圖11顯示了所用啟動(dòng)電路的原理圖。 U3是次級(jí)電壓監(jiān)控器，可根據(jù)關(guān)斷所需的閾值電壓去選擇。
 

 

Startup-Circuitry and Voltage Regulation：?jiǎn)?dòng)電路和穩(wěn)壓

LDO as a active clamping circuit and power switch：LDO作為有源鉗位電路和功率開(kāi)關(guān)

Storage Capacitor：存儲(chǔ)電容器

Turn-on Threshold：導(dǎo)通閾值

(optional) Turn-off Threshold：(可選的) 關(guān)斷閾值

 

圖11. 啟動(dòng)電路原理圖

 

在圖12中，可以觀(guān)察到啟動(dòng)電路的行為。 在A點(diǎn)之前，電容電壓緩慢上升，直到在點(diǎn)A達(dá)到2.63V。電壓監(jiān)控器具有內(nèi)部延遲，使實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間延遲tD，對(duì)于所用器件，tD在140-460 ms之間。 延遲后，將激活MCU電源。 當(dāng)MCU供電電壓高于?1.5 V時(shí)，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。 一旦電壓降至1.5 V以下（B點(diǎn)），MCU供電電壓將被禁用，因?yàn)樗肗CP170的使能引腳閾值為1.5V。 此后，電容器電壓需要再次升高到2.63 V以上才能重新啟用MCU電源。

 

Storage Capacitor voltage：存儲(chǔ)電容器電壓

MCU Supply Voltage：MCU供電電壓

 

圖12. 啟動(dòng)電路行為

 

該板包含溫度、空氣質(zhì)量和加速度傳感器。 所有傳感器都支持睡眠模式，以在不需要時(shí)降低能耗。 為了避免變化的電容器電壓對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生負(fù)面影響，使用了1.8 V的穩(wěn)定傳感器供電電壓。 可以禁用該傳感器供電電壓，以進(jìn)一步減少電流消耗。 傳感器通過(guò)I2C總線(xiàn)與RSL10 SoC接口。

 

在溫度傳感器和加速度計(jì)支持的工作模式下，傳感器可以監(jiān)測(cè)各自的物理狀況，而無(wú)需RSL10的交互。 在這種模式下，如果監(jiān)測(cè)值超出了預(yù)先設(shè)定的范圍或發(fā)生了其他編程情況，傳感器將使用專(zhuān)用中斷線(xiàn)喚醒RSL10。

 

圖13. RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板

 

使用2層設(shè)計(jì)的最終PCB尺寸為24 x 51 mm，所有元器件都在頂側(cè)，以便能夠連接背面的太陽(yáng)能采集器件。

 

可以通過(guò)以下方式連接太陽(yáng)能采集器：

●在板子的左側(cè)使用100 mil間距的連接器

●板右側(cè)的4引腳1毫米間距的ZIF連接器

●板兩側(cè)的焊盤(pán)可直接連接面板或其他連接器

 

圖14. 在EWC 2019演示的無(wú)電池多傳感器節(jié)點(diǎn)

 

固件設(shè)置和優(yōu)化

RSL10太陽(yáng)能電池板的目標(biāo)行為是測(cè)量環(huán)境參數(shù)，并以藍(lán)牙低功耗廣告數(shù)據(jù)包將其傳輸。進(jìn)行測(cè)量和傳輸?shù)臅r(shí)間間隔取決于可用能量。固件需要監(jiān)控可用能量并調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源狀態(tài)，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)性能。

 

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，RSL10初始化所有必需的外設(shè)，并計(jì)時(shí)資源和藍(lán)牙低功耗基帶。這些步驟對(duì)于使RSL10的所有電源狀態(tài)都可用至關(guān)重要。為省電，所有未使用的外設(shè)都保持禁用狀態(tài)。此外，在需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之前，將關(guān)斷傳感器的電源。

 

RSL10初始化后，系統(tǒng)需要確定它是否具有足夠的剩余能量來(lái)執(zhí)行某些測(cè)量，或者是否有必要進(jìn)入超低功耗深度睡眠模式以使存儲(chǔ)電容器充電至更高的電壓電平。為了確定當(dāng)前可用的能量，RSL10可以測(cè)量電源電壓。 3.3 V的電壓表示電容器已滿(mǎn)，并且LDO已經(jīng)在限制輸出電壓。對(duì)于低于3.3 V的電源電壓，RSL10直接測(cè)量電容器電壓并可以確定能量含量。

如果能量不足以執(zhí)行所需的測(cè)量，則RSL10進(jìn)入其深度睡眠模式。在這種模式下，RSL10消耗的功率在62.5 nW的范圍內(nèi)，即使在微光的情況下，存儲(chǔ)電容器也可以充電。在深度睡眠模式下，RSL10的外設(shè)被禁用。為了在深度睡眠模式下保持某些可變的系統(tǒng)的狀態(tài)，一部分RAM被保留。從深度睡眠喚醒的速度比完全啟動(dòng)要快得多，并且所需的能量要少得多。

 

在深度睡眠模式下經(jīng)過(guò)一段固定的時(shí)間后，RSL10喚醒以檢查存儲(chǔ)電容器是否已積累了足夠的能量來(lái)執(zhí)行測(cè)量和傳輸數(shù)據(jù)。決定測(cè)量是否可行的能量閾值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的。如果能量水平仍然不足，則RSL10再次進(jìn)入深度睡眠模式。

 

如果可用能量足以進(jìn)行測(cè)量，則啟用傳感器的電源并初始化I2C接口。通過(guò)I2C，傳感器被配置為執(zhí)行其測(cè)量。一旦測(cè)量完成，就將結(jié)果讀回并復(fù)制到用于傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的廣告包中。

 

包含測(cè)量值的廣告包隨后被發(fā)送。發(fā)送后，RSL10在所需的最小發(fā)送間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)入深度睡眠模式。然后，從確定喚醒后的可用能量開(kāi)始，重復(fù)該序列。

 

藍(lán)牙低功耗考量因素：

選擇使用廣告包通過(guò)藍(lán)牙低功耗將測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備是最節(jié)能的方式。這使RSL10太陽(yáng)能電池板的采集器可以將掃描的附近所有藍(lán)牙低功耗設(shè)備作為目標(biāo)，而無(wú)需建立和維持聯(lián)接。另外，太陽(yáng)能采集器以廣播器模式發(fā)送數(shù)據(jù)，說(shuō)明在每個(gè)發(fā)送的廣告包之后它都不會(huì)啟用接收器。這節(jié)省了額外的功耗，其代價(jià)是不聯(lián)接并且不能發(fā)送掃描響應(yīng)數(shù)據(jù)包，從而將廣告數(shù)據(jù)的最大限制從31個(gè)字節(jié)提高到62個(gè)字節(jié)。根據(jù)應(yīng)用需求，可能需要在可聯(lián)接模式下進(jìn)行廣告發(fā)布，以允許某些設(shè)備配置傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，例如首選廣告間隔和首選測(cè)量間隔。

 

為了克服僅允許31字節(jié)數(shù)據(jù)的小廣告包的限制，可以在每個(gè)廣告間隔的不同廣告有效載荷之間切換。這可用于在一個(gè)廣告包中發(fā)送自定義傳感器數(shù)據(jù)幀，然后在下一個(gè)廣告包中發(fā)送Eddystone Beacon URL幀。 Eddystone URL數(shù)據(jù)包可用于鏈接到具有其他信息的網(wǎng)頁(yè)，并提供下載應(yīng)用程序用于顯示傳感器數(shù)據(jù)。

 

不同于藍(lán)牙SIG定義的環(huán)境感知服務(wù)的聯(lián)接設(shè)備，沒(méi)有用于僅使用廣告包來(lái)傳輸各種傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化格式。

 

這樣，自定義廣告數(shù)據(jù)幀用于將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綊呙柙O(shè)備。這些設(shè)備需要專(zhuān)用軟件或應(yīng)用程序，能夠解析和處理此類(lèi)廣告包內(nèi)容。在整個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)由單個(gè)實(shí)體管理的工業(yè)用例中，這可能不會(huì)造成問(wèn)題，但是如果應(yīng)用于可能需要多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備協(xié)作的市場(chǎng)，則可能會(huì)導(dǎo)致互操作性問(wèn)題。

 

 

 

固件實(shí)施

基于上述行為，安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板固件。

安森美半導(dǎo)體提供基于Eclipse的環(huán)境RSL10 軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)，用于基于RSL10平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)。 RSL10 SDK包含全集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有功能強(qiáng)大的編輯器、工具鏈、文檔、各種示例代碼以及基于CMSIS-Pack的軟件包。

 

圖15. RSL10軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)

 

可以使用RSL10 SDK附帶的CMSIS Configuration Wizard編輯器來(lái)配置固件，如圖16所示。通過(guò)使用圖形界面提供每個(gè)參數(shù)詳細(xì)說(shuō)明并檢查輸入值的正確范圍，可以更改所需參數(shù)來(lái)快速評(píng)估不同的軟件配置。。對(duì)于需要更復(fù)雜的更改進(jìn)行評(píng)估的情況，CMSIS包中提供了源代碼和示例項(xiàng)目。 

 

圖16. CMSIS Configuration Wizard中顯示的可配置參數(shù)

 

圖17顯示了在傳感器測(cè)量事件期間電路板的電流消耗，隨后是測(cè)量數(shù)據(jù)的公告。 在此事件期間，總共使用了60 _J的能量來(lái)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)并公布結(jié)果。 如果沒(méi)有安排傳感器測(cè)量，而電路板僅做公告，則能耗降低到20 _J。

 

圖17.傳感器測(cè)量和公告發(fā)布的典型操作周期

（3 V電源，公告間隔設(shè)置為1 s，在每個(gè)公告間隔期間都進(jìn)行傳感器測(cè)量）

 

接收信標(biāo)數(shù)據(jù)

RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器板公告的傳感器數(shù)據(jù)作為制造商的廣告包特定數(shù)據(jù)及藍(lán)牙低功耗標(biāo)志和板的完整本地名稱(chēng)的一部分。 這允許訪(fǎng)問(wèn)所有設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)，這些設(shè)備將制造商特定的數(shù)據(jù)公開(kāi)給應(yīng)用程序，包括Android和IOS設(shè)備。

 

在這種情況下，將RSL10 USB軟件狗（RSL10-USB-001-GEVK）連接到主機(jī)PC，以顯示捕獲的傳感器數(shù)據(jù)。 使用帶有Python綁定的RSL10 USB軟件狗和隨附的軟件藍(lán)牙低功耗Explorer來(lái)創(chuàng)建簡(jiǎn)單的腳本，該腳本掃描附近的藍(lán)牙低功耗設(shè)備，并在它們具有匹配的廣告數(shù)據(jù)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)。

 

圖18.顯示的RSL10 USB軟件狗捕獲的傳感器數(shù)據(jù)

 

總結(jié)

通過(guò)該參考平臺(tái)，安森美半導(dǎo)體已證明完全有可能制造出一種低成本、小尺寸傳感器節(jié)點(diǎn)，完全由太陽(yáng)能供電，具有的功能包括持續(xù)傳感器監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆凭W(wǎng)關(guān)。 多個(gè)用例將大大得益于RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)的新技術(shù)和功能，包括智能樓宇、城市管理和移動(dòng)健康。開(kāi)發(fā)人員使用該平臺(tái)創(chuàng)建新的創(chuàng)新傳感器設(shè)計(jì)，可填補(bǔ)實(shí)施數(shù)十億個(gè)智能傳感器所產(chǎn)生的能源需求缺口，從而幫助徹底變革物聯(lián)網(wǎng)。