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如何開發(fā)微型太陽能無線傳感器節(jié)點

發(fā)布時間：2017-10-26 來源：EIJI FUKAWA 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】無線傳感器節(jié)點通過縮減傳感器尺寸、簡化維護問題和延長電池續(xù)航時間來降低實施成本。本文圖文詳解了設(shè)計無電池設(shè)備的最好方法是通過用于通信和能量采集的低功耗藍牙（BLE）等技術(shù)來降低無線傳感器系統(tǒng)的平均功耗。

無線傳感器節(jié)點可通過縮減傳感器尺寸、簡化維護問題和延長電池續(xù)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(shè)計上，將能實現(xiàn)更大的成本效益。

設(shè)計無電池設(shè)備的最好方法是通過用于通信和能量采集的低功耗藍牙（BLE）等技術(shù)來降低無線傳感器系統(tǒng)的平均功耗。

圖1為微型無線傳感器的架構(gòu)圖。該傳感器使用具有集成BLE射頻的微控制器（MCU）而創(chuàng)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射頻的微控制器（MCU）而創(chuàng)建，經(jīng)優(yōu)化后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(shè)計套件（RDK）。

BLE的優(yōu)化

為了做到只用能量采集IC所提供的電源運行，傳感器必須優(yōu)化其BLE系統(tǒng)以降低功耗。首先，設(shè)計人員必須了解BLE子系統(tǒng)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。然后，設(shè)計人員必須分析實際功耗以確認各種假設(shè)來進一步提升系統(tǒng)的能效。

降低功耗技術(shù)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(shè)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(yōu)化的BLE設(shè)計要首先把BLE射頻配置為處于不可連接廣播模式的信標(biāo)。BLE信標(biāo)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(shù)據(jù)包（30字節(jié)），而這些數(shù)據(jù)包構(gòu)成一個廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。想信標(biāo)被發(fā)現(xiàn)可在各類智能手機或計算機應(yīng)用中推送消息、app操作及提示。

圖2顯示了廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式。BLE鏈路層擁有“Preamble”（前導(dǎo)碼）、“Access Address”（接入地址）、“Protocol Data Unit（PDU）”（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和“Cyclic Redundancy Code（CRC）”（循環(huán)冗余碼）。請注意，以下信息僅適用于廣播通道數(shù)據(jù)包格式，不含“數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)包”。

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

BLE信標(biāo)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)屬于“凈載荷”中的“廣播數(shù)據(jù)”。

圖2：廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式。

圖3：BLE信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式。

表1列出了設(shè)置值。

表1：BLE信標(biāo)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(shè)計的高效。圖4顯示了無功率優(yōu)化設(shè)計的功耗結(jié)果。

圖4：無功率優(yōu)化的BLE設(shè)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(huán)境能量運行，我們需要降低消耗電流。

通過優(yōu)化固件實現(xiàn)低功耗

通過優(yōu)化以下4個功能以降低BLE設(shè)計的平均電流消耗：

1.低功率啟動

2.深度睡眠

3.IMO時鐘設(shè)置

4.調(diào)試選擇

當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗模式時，則需要利用看門狗定時器（WDT）來喚醒系統(tǒng)。

低功率啟動

通電復(fù)位（POR）后，BLE系統(tǒng)通過調(diào)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(zhí)行以下步驟實現(xiàn)低功耗運行：

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

2.500 ms后（WCO啟動時間），啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。

3.將MCU配置成在500 ms WCO啟動時間內(nèi)處于深度睡眠模式。

4.WCO啟用后，重啟ECO以啟用BLE子系統(tǒng)（BLESS）接口。

5.把WCO置于低功耗模式，并將低頻時鐘（LFCLK）源從32‐kHz內(nèi)部低速振蕩器（ILO）改為WCO。

6.啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。

7.將MCU置于深度睡眠模式。

圖5：低功耗啟動波形。

深度睡眠

用戶設(shè)計應(yīng)管理系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)功率模式和BLESS功率模式，以實現(xiàn)BLE MCU的低功耗運行。在BLE事件間隔期間，建議通過執(zhí)行以下步驟實現(xiàn)深度睡眠：

1.關(guān)閉ECO以降低功耗。

2.1.5s后（BLE事件間隔），啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。

3.將MCU置于深度睡眠模式。

4.1.5s后，重啟ECO以啟用BLE子系統(tǒng)（BLESS）接口。

5.發(fā)送BLE廣播數(shù)據(jù)。

6.從步驟1開始重復(fù)。

圖6：深度睡眠波形。

IMO時鐘設(shè)置

3-MHz到48-MHz內(nèi)部主振蕩器（IMO）是主要的內(nèi)部時鐘源。IMO的默認頻率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz范圍內(nèi)以1 MHz的步長調(diào)節(jié)。在默認的校準(zhǔn)設(shè)置下，IMO與本例中RDK的公差為±2%。圖7顯示了改變IMO頻率后的總功耗示例。

圖7：IMO DC規(guī)格和示例總功耗。

調(diào)試選擇

串行線調(diào)試（SWD）引腳用于開發(fā)階段的運行時固件調(diào)試。將SWD引腳配置為調(diào)試模式會增加電流消耗。因此，這些引腳應(yīng)在最終版本時切換到通用輸入輸出（GPIO）模式，讓它們在芯片復(fù)位時仍可用于設(shè)備編程。

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

圖8：功率優(yōu)化的BLE設(shè)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(shù)運行

在這平均電流和總功耗水平上，需要確認系統(tǒng)能夠采用能量采集技術(shù)運行。圖9顯示了能量采集系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)采用了S6AE10xA Energy Harvesting（EH）PMIC系列，可使用CYALKIT-E04 S6AE102A和S6AE103A EVK以及CY8CKIT-042-BLE BLE Pioneer Kit運行一整天。

圖9：能量采集系統(tǒng)框圖。

圖10中的框圖顯示了基于S6AE102A和S6AE103APSoC電路板的PSoC 4 BLE的能量采集過程。 Wave1顯示了基于太陽能的BLE運行，Wave2顯示了發(fā)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(dāng)VST1達到VVOUTH時，能量被發(fā)送到MCU用于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(xù)運行一整天。

圖11中的框圖和波形顯示了混合儲能控制功能。用于運行系統(tǒng)的能量存儲在VST1中，其余能量用于對VSTORE2（VST2）進行充電。當(dāng)沒有環(huán)境光線時，VST2中能持續(xù)為系統(tǒng)提供能量。

圖11：混合儲能控制功能。

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中的能量用于系統(tǒng)運行，其余能量用于VSTORE2（VST2）的子儲能器件充電。VSTORE2中持續(xù)為系統(tǒng)提供能量，因此，即使在沒有環(huán)境光線的情況下，系統(tǒng)也能繼續(xù)運行一段時間。

圖12：存儲多余能量的波形。

圖13中的框圖顯示了混合電源輸入控制模式。Wave1顯示的是PMIC如何控制兩個電源（太陽能和電池）。PMIC通過轉(zhuǎn)換這兩個電源在不同場景下驅(qū)動系統(tǒng)。環(huán)境光線通常是持續(xù)的，但某些地方可能沒有持續(xù)的光線。PMIC能夠自動轉(zhuǎn)換這兩個電源，在沒有光線的情況下繼續(xù)供電。