能量收集型傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案

雖然能量收集并不是一個(gè)全新概念，但是RF和微控制器(MCU)器件在性能與能耗方面取得的最新進(jìn)展，意味著構(gòu)建一個(gè)采用能量收集型應(yīng)用，例如傳感器節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在變得更加容易。此外，對(duì)于同樣的能量收集而言，新構(gòu)建的應(yīng)用能夠比之前應(yīng)用提供更強(qiáng)的能力。因此，在越來越多的應(yīng)用中，能量收集為傳感器節(jié)點(diǎn)供電正在成為切實(shí)可行的解決方案，本地化處理采集的數(shù)據(jù)，然后回傳到一個(gè)集中器。

能量收集型系統(tǒng)構(gòu)成

我們來考慮一個(gè)嵌入式能量收集型系統(tǒng)，如圖1所示。其中某些組成部分，例如能量收集器，在任何能量收集型設(shè)計(jì)中都是必要的。

圖1：能量收集型傳感器節(jié)點(diǎn)。

從哪里可以獲取傳感器供電所需能量呢?從光、熱、振動(dòng)還是RF?表1中匯總了可收集潛在能量的常見能量來源。本例中，假設(shè)我們正在使用太陽(yáng)能收集器。除了能量收集源之外，應(yīng)用中也需要某種形式的能量存儲(chǔ)設(shè)備，最常見是電容組，或者小型可充電電池。(儲(chǔ)能設(shè)備是必須的，因?yàn)槭占饕掷m(xù)連續(xù)不斷的收集能量，而應(yīng)用本身可能僅會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)模式，而在大部分時(shí)間中處于休眠模式。)

表1：能量收集源。

除了這些應(yīng)用組成部分之外，開發(fā)人員還要選擇元器件進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，能利用這些收集到的能源并達(dá)成預(yù)期結(jié)果。這里有一些關(guān)鍵因素要考慮。所選擇的元器件必須待機(jī)電流極低;在工作模式時(shí)功耗極低;且能夠在活動(dòng)模式和待機(jī)模式之間快速切換(因?yàn)槠骷拇龣C(jī)模式轉(zhuǎn)換到工作模式所需的時(shí)間越長(zhǎng)，浪費(fèi)的能量越多)。

添加RF連接

RF元器件選型時(shí)，關(guān)鍵因素是要選擇一個(gè)合適的通信協(xié)議，協(xié)議要能夠提供足夠帶寬以傳輸所需數(shù)據(jù)，同時(shí)能耗要盡可能低。ZigBee和藍(lán)牙都是低能耗和電池供電型應(yīng)用的良好選擇，但是更輕量級(jí)的無線連接技術(shù)或許才是能量收集的最佳選擇。

簡(jiǎn)單、專用的sub-GHz解決方案非常適合能量收集型應(yīng)用的需求。我們假設(shè)該設(shè)計(jì)中由于進(jìn)行了本地信號(hào)處理，而僅僅需要進(jìn)行少量數(shù)據(jù)傳輸(在后面的例子中我們將會(huì)討論大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的情況)，那么RF元器件在大部分時(shí)間里將處于待機(jī)模式，僅在需要傳輸少量預(yù)處理數(shù)據(jù)時(shí)才被喚醒。因此，要考慮的兩個(gè)重要參數(shù)是待機(jī)模式能耗和傳輸模式能耗。

基于以上這些原因，高能效的sub-GHz收發(fā)器，例如Silicon Labs 公司的Si4464，會(huì)是更好的選擇。Si4464的待機(jī)模式電流僅50nA，在非收發(fā)模式下能夠最大限度的減少能量消耗，而且從待機(jī)模式切換到運(yùn)行模式時(shí)，喚醒時(shí)間僅需要450?s。這種等級(jí)的無線能效使得開發(fā)人員能夠在獲取和管理數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn) RF元器件的能耗最小化。

選擇合適的MCU

接下來討論MCU，傳感器節(jié)點(diǎn)將提供本地化數(shù)據(jù)處理，降低整體RF網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸流量。對(duì)于這種實(shí)現(xiàn)的一個(gè)理想候選者是內(nèi)建ARM Cortex-M4內(nèi)核的MCU，它擁有大量專用的DSP功能，與沒有DSP能力的MCU相比，能夠在更少的時(shí)鐘周期內(nèi)完成信號(hào)處理。圖2顯示了基于Cortex-M3內(nèi)核的MCU和基于Cortex-M4內(nèi)核的MCU在執(zhí)行相同例程實(shí)現(xiàn)512點(diǎn)快速傅里葉變換(FFT)時(shí)所消耗的時(shí)間(在兩種情況下，CPU時(shí)鐘速率是相同的)。如圖所示，Cortex-M4內(nèi)核的處理時(shí)間遠(yuǎn)低于Cortex-M3內(nèi)核的處理時(shí)間。因此，當(dāng)使用基于DSP的Cortex-M4內(nèi)核時(shí)，能效更高。

圖2：在Cortex-M3內(nèi)核和Cortex-M4內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)512點(diǎn)FFT。

為了體驗(yàn)帶有DSP功能的內(nèi)核所提供的益處，可以考慮在能量收集型應(yīng)用中使用Silicon Labs公司的EFM32 Wonder Gecko MCU。然而，內(nèi)核并不是獲取最佳能效的唯一因素。還需要考慮其他方面，例如信號(hào)采集所需的能耗(以及所使用的技術(shù))、MCU外設(shè)之間的交互，使得MCU能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在低能耗模式。

高能效的信號(hào)采集

考慮到信號(hào)采集任務(wù)，最佳化能效可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。假設(shè)要獲取的是模擬信號(hào)，就可以采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或者專用接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。

我們先從ADC開始，有幾種方法可用于數(shù)據(jù)采集。圖3中圖形化顯示了這些過程。首先最常用的做法是，利用計(jì)時(shí)器觸發(fā)ADC采樣，并將所獲取的采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻MA，在1Ksps采樣速率下，能耗為165?A。盡管這很好地利用了外設(shè)的互動(dòng)性，但沒有使用MCU的任何特殊功能。

圖3：EFM32 MCU上的低功耗ADC工作原理。

第二種方法在同樣采樣速率下改善了能耗。其方法是在待機(jī)狀態(tài)時(shí)讓MCU進(jìn)入能耗模式2(EM2)，一直到被中斷喚醒為止(中斷可來自多種觸發(fā)源，包括EM2下的可用定時(shí)器)。EM2的待機(jī)能耗為900nA，但是MCU只需要2?s就能恢復(fù)全速運(yùn)行狀態(tài)。因此，超低能耗模式帶來的時(shí)間成本，EM2切換回全速運(yùn)行狀態(tài)所帶來的能耗，兩者間達(dá)到了很好的平衡。這種情況下，同樣實(shí)現(xiàn)1Ksps采樣速率時(shí)，能耗降低到60?A，與第一種方法相比能耗有了顯著下降。此方法可能是最合適的方法，因?yàn)樵S多嵌入式應(yīng)用都是靠中斷驅(qū)動(dòng)的。然而，根據(jù)應(yīng)用對(duì)特殊情況的要求，還可以利用其他方法進(jìn)一步降低能耗。

第三種方法(可視此方法為一個(gè)“優(yōu)化循環(huán)”方案)仍然采用EM2，但本次并非等待中斷，而是使用等待事件(Wait for Event ，WFE)指令，該指令是Cortex-M指令集的一部分。WFE指令使MCU能夠?qū)ν獠炕蛘邇?nèi)部事件進(jìn)行響應(yīng)，類似于中斷觸發(fā)。然而，在這種情景下，不再是從主循環(huán)中進(jìn)入中斷，而是MCU直接從EM2中喚醒并開始執(zhí)行下一條指令，消除了中斷延遲時(shí)間。雖然這種方法并不適合所有應(yīng)用，但采用此方法可以降低能耗，同樣1Ksps采樣速率時(shí)，能耗不到20?A。

為了判斷采用哪種方法更適合你的應(yīng)用，做一個(gè)詳細(xì)的分析是非常必要的。為了達(dá)到所需的最小能耗，你需要評(píng)估采樣率的大小，以及MCU在各種模式下的能耗。

圖4對(duì)比了分別采用上述三種方法時(shí)能耗和采樣率的對(duì)比情況。圖中的交叉點(diǎn)表明，為了實(shí)現(xiàn)最佳功效，可以從一種方法轉(zhuǎn)向另一種方法。

圖4：能耗與采樣率對(duì)比圖。

除了利用ADC進(jìn)行信號(hào)采集之外，特別選擇的MCU還可以使用額外的專用外設(shè)。以EFM32 Wonder Gecko MCU為例，可以選擇使用低能耗傳感器接口(LESENSE)采集信號(hào)，并且僅在需要MCU進(jìn)行處理時(shí)才喚醒MCU。圖5說明了LESENSE的工作原理，此例中以模擬信號(hào)輸入為例。

圖5：LESENSE的運(yùn)行原理。

處理這種信號(hào)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法是輪詢輸入，并且不斷的檢查是否通過了預(yù)設(shè)的門限值。但是，這種方法效率極低。采用類似LESENSE的自治傳感器接口，MCU能夠保持在低能耗模式(例如ADC技術(shù)示例中用到的EM2)，僅僅當(dāng)跨越門限值時(shí)才喚醒MCU。或者，更有用的是能夠記錄跨越門限值的次數(shù)，例如5次之后才喚醒MCU。這種方法是一種更加節(jié)能的解決方案。例如，MCU被LESENSE外設(shè)喚醒時(shí)，它能知道下一步具體要做什么，可以直接管理應(yīng)用的對(duì)應(yīng)部分。圖6顯示了如何使用諸如LESENSE這樣的 MCU外設(shè)為能量收集型應(yīng)用帶來顯著差異。

圖6顯示了一個(gè)采用能量存儲(chǔ)器為MCU提供電源時(shí)的電量測(cè)量情況。在兩種應(yīng)用示例中，都是以5Hz的頻率通過LESENSE外設(shè)采集信號(hào)。在第一個(gè)例子中，每次信號(hào)采集后都會(huì)喚醒MCU，可以看出，能量存儲(chǔ)器的能量在很短暫的時(shí)間內(nèi)就被耗盡了，然后MCU進(jìn)入到復(fù)位狀態(tài)。在第二個(gè)例子中，LESENSE外設(shè)配置成為每五次信號(hào)采集后才喚醒MCU。在這兩個(gè)示例中，采集和傳輸?shù)組CU的數(shù)據(jù)量都是相同的，但第二個(gè)例子中的MCU并沒有進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，應(yīng)用依舊維持正常運(yùn)行狀態(tài)。因此，通過智能的使用MCU資源，可以獲得更加節(jié)能的解決方案。

圖6：使用LESENSE實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

雖然我們從現(xiàn)有的能量源中為嵌入式應(yīng)用收集到的能量沒有顯著的增加，但近些年來，關(guān)鍵系統(tǒng)元器件(例如MCU和RF IC)對(duì)能量的需求已經(jīng)顯著下降。IC元器件正在向著更加節(jié)能的方向發(fā)展，這使得可以在更多的智能和實(shí)用嵌入式系統(tǒng)中采用能量收集供電。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能夠自我維持運(yùn)行的傳感器節(jié)點(diǎn)已成為必然。雖然當(dāng)今市場(chǎng)上的RF和MCU解決方案有無限選擇，但是在由能量收集供電的嵌入式設(shè)計(jì)中極度需求MCU和RF器件、而時(shí)間又是個(gè)很重要因素時(shí)，很明顯沒有哪一種元器件能夠滿足所有需求。然而，在建立節(jié)能型系統(tǒng)方面，某些元器件的確比其他元器件更具有顯著優(yōu)勢(shì)。