如何開發(fā)微型太陽能無線傳感器節(jié)點

　　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計上，將能實現(xiàn)更大的成本效益。

　　設計無電池設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，設計人員必須分析實際功耗以確認各種假設來進一步提升系統(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設計要首先把BLE射頻配置為處于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(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。想信標被發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(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”必須設置為“10101010b”

　　Access Address”必須設置為“10001110100010011011111011010110b(0x8E89BED6)”

　　PDU”包含“報頭”和“凈載荷”

　　BLE信標的數(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信標數(shù)據(jù)包格式]

　　表1列出了設置值。

　　表1：

　　? Length1 0x02

　　? AD type1 0x01

　　? AD data 0x04

　　? Length2 0x1A

　　? AD type2 0xFF

　　? Company ID 0x0131 [Cypress Semiconductor Corporation]

　　? Device type 0x02

　　? Length3 0x15

　　? UUID1 00050001-0000-1000-8000-00805F9B0131 [hex]

　　? Major2 Your own ID

　　? Minor3 0x0001

　　? RSSI4 0xC3 [-61dBm]

　　? Transmitter power 0 dBm

　　? Advertise interval 1500 ms

　　1這是一個16字節(jié)字符串，用于區(qū)分一大組相關(guān)信標。

　　2這是一個2字節(jié)字符串，用于區(qū)分較大分組中的小組信標。

　　3這是一個2字節(jié)字符串，用于標識各個信標。

　　4接收信號強度指示。用于確定信標的遠近。

　　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(yōu)化設計的功耗結(jié)果。

　　[圖4 | 無功率優(yōu)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(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設計的平均電流消耗：

　　1.低功率啟動

　　2.深度睡眠

　　3.IMO時鐘設置

　　4.調(diào)試選擇

　　當系統(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

　　用戶設計應管理系統(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。

　　[圖6 | 深度睡眠波形]

　　IMO時鐘設置

　　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)。在默認的校準設置下，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，讓它們在芯片復位時仍可用于設備編程。

　　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(yōu)化程度。圖8顯示了功率優(yōu)化設計的功耗結(jié)果。

　　[圖8 | 功率優(yōu)化的BLE設計的電流消耗]

　　平均電流約為1.5 μA，從啟動到待機的總功耗為0.106 mJ。

　　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。

　　[圖13 | 混合電源輸入控制]

　　S6AE10xA根據(jù)VSTORE1的電壓自動更換電源。如果VSOTRE1的電壓達到VVOUTL，將從VBAT電源供電，以便在無環(huán)境光線的情況繼續(xù)供電。

　　以下是是如何實現(xiàn)不同應用的例子。

　　[圖14 | 需要運行一整天的小巧的太陽能無線傳感器]

　　[圖15 | 需要短時/頻繁操作的小巧的太陽能門傳感器]

　　[圖16 | 太陽能無源紅外傳感器]