智能環(huán)境代表了家庭自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化的未來(lái)。各種傳感器、控制器和執行器分布在整個(gè)環(huán)境中，并發(fā)揮多種作用。這種分布也帶來(lái)了一些技術(shù)挑戰。例如，每個(gè)傳感器都需要有自己的電源。監視電池的低電量狀態(tài)是一項標準操作。但是，更換電池需要人工輔助。本文提出了一種低功耗能量采集傳感器的實(shí)現方案。當傳感器需要發(fā)送大量數據或執行連續測量時(shí)，能量采集供電的無(wú)線(xiàn)傳感器更為適合。采用能量采集供電的傳感器可在數年內完全免維護，而電池供電的傳感器在幾個(gè)月內就會(huì )耗盡電量。

　　

如今的無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)現方案五花八門(mén)。但是，此類(lèi)系統的總成本不僅僅取決于硬件。實(shí)施不同行業(yè)標準的成本也會(huì )增加總成本。這不僅包括附加的軟硬件要求，還包括不甚明顯的項目，如認證(例如 ZigBee®和 Bluetooth® 4.0)，甚至可能涉及版稅。本文提出了一些簡(jiǎn)單的低功耗能量采集技術(shù)，可用于實(shí)現免維護的無(wú)線(xiàn)傳感器。此外，本文還將展示如何在提供穩固性能的同時(shí)保持較低的總成本，特別是在經(jīng)濟高效的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域。

　　

　

能量采集系統的基本原理是存儲能量(無(wú)論是使用鎳氫電池之類(lèi)的可充電電池還是使用超級電容)供將來(lái)需要時(shí)使用。除此之外，能量采集無(wú)線(xiàn)傳感器基本上與電池供電的傳感器相同。主要的區別在于(非充電式)電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器設計為使用電池工作特定一段時(shí)間。能量采集傳感器節點(diǎn)的優(yōu)勢是，可以無(wú)限采集能量供將來(lái)使用。通常情況下，它能夠采集的能量非常有限(受價(jià)格和/或物理尺寸限制)。因此，必須對無(wú)線(xiàn)發(fā)送器和傳感器本身的能源使用加以平衡，以減少對采集能量的使用。

　　

　　

目前，市場(chǎng)上有多種不同的能量采集設備可選。最常用的設備為太陽(yáng)能電池板。它有著(zhù)不同的尺寸，從串聯(lián)和/或并聯(lián)多個(gè)太陽(yáng)能電池的大型電池板，到用于手持式計算器或玩具的超小型電池。另一種類(lèi)型的設備是 RF 采集設備。此設備使用天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)電波，然后將其轉換為電能。這是一種非常特別的能量采集設備，因為它需要高 RF 能量。機電能量采

　　

集設備通常在電感線(xiàn)圈附近使用磁性運動(dòng)部件。熱電能量采集設備可通過(guò)溫度梯度產(chǎn)生少量電能。這類(lèi)熱能設備依賴(lài)于塞貝克效應。

　　

　　

當添加無(wú)線(xiàn)功能時(shí)，一些缺乏經(jīng)驗的用戶(hù)往往只會(huì )想到實(shí)施 RF 行業(yè)標準，如 ZigBee或 Bluetooth。但是，根據實(shí)際的應用需求，實(shí)施特定標準可能是實(shí)際要求，也可能不是。一般來(lái)說(shuō)，僅當最終產(chǎn)品必須與市場(chǎng)上的現有產(chǎn)品兼容時(shí)，才需要實(shí)施特定標準。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品(由其他公司銷(xiāo)售)兼容，實(shí)際上是一個(gè)更復雜的商業(yè)決策。需要權衡是否提供兼容性。此外，在一些情況下必須提供兼容性(如用于手機的無(wú)線(xiàn)耳機)，而另外一些情況下無(wú)法添加兼容性或者添加成本過(guò)高(如簡(jiǎn)單的IR 遙控)。

　　

　　

很多時(shí)候，當考慮實(shí)施特定 RF 標準時(shí)，設計人員僅看到總體硬件成本。這通常是考慮硬件解決方案時(shí)的主要出發(fā)點(diǎn)。任何 RF 發(fā)送器(正式名稱(chēng)為“有意輻射體”)都需要認證。非 RF 發(fā)送器仍需要 FCC 或 CE 認證。但是，其認證操作相對比較簡(jiǎn)單且便宜。對于任何無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)說(shuō)，FCC 認證都是不可避免的。因此，當比較不同的解決方案時(shí)，將不考慮這部分成本。

　　

根據實(shí)施的無(wú)線(xiàn)標準，總實(shí)施成本可能遠超最初預期的成本。實(shí)施特定標準的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格(年費)、標準合規性測試、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項目。ZigBee 認證的成本約為 3000 美元，而這只是認證本身的費用。但實(shí)際上，在申請認證之前，還需要執行一些特定的預測試并評估設備是否能通過(guò)認證。專(zhuān)用測試設備的租金為每月 750 美元。

　　

初看之下，這些額外成本可能不是很高。但是，多次采用特定標準需要支付會(huì )員費用。還可能需要支付版稅(每芯片)。RF 標準認證成本將始終轉換為額外的成本和延期，直到產(chǎn)品發(fā)布。

　　

硬件本身的單位成本通常在 1 至 1.5 美元(1 萬(wàn)件)范圍內。僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品時(shí)，上述所有成本都將影響單位總成本。如果我們僅考慮 10,000 美元的 FCC 認證成本，那么單位價(jià)格實(shí)際將翻一倍。RF 標準認證的成本(認證成本本身、預測試和 RF 測試設備)可以很容易超過(guò) 10,000 美元。

　　

　　

特定的無(wú)線(xiàn)標準需要使用專(zhuān)用芯片(如 IEEE 802.15.4)。但是，如果您只需要進(jìn)行單向通信，那么簡(jiǎn)單的 ISM 頻段發(fā)送器就完美適合應用。但是，能量采集無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)還有一些最低要求。建議采用高數據速率。一般來(lái)說(shuō)，數據速率越高，需要的功率就越多。但總數據包長(cháng)度會(huì )小很多，因此能量消耗會(huì )降低?？梢允褂?ASK(OOK)或 FSK 調制。ASK 調制(和 OOK)的能量消耗較低，因為在工作的某些時(shí)期 RF 功率較低(OOK 甚至具有完全不消耗 RF 功率的時(shí)期)。ASK 的總平均電流消耗會(huì )更低。不過(guò)，FSK 仍為首選，因為它可以達到更高的數據速率。例如，Microchip 的具有集成發(fā)送器的 PIC12LF1840T48A MCU 在 OOK 模式下支持 10 kbps，而在 FSK 模式下支持 100 kbps。在這種情況下，使用 FSK 調制時(shí)，數據發(fā)送可以快 10 倍。此外，從 RF 接收器的角度看，接收器接收和解碼 FSK 信號的效果要比 ASK 調制的 RF 好得多，尤其是在較高數據速率的情況下。

　　

　　

無(wú)線(xiàn)能量采集傳感器在工作時(shí)需要盡可能減少功耗。這可以通過(guò)仔細地對設備的工作周期與低功耗關(guān)斷模式進(jìn)行平衡來(lái)實(shí)現。根據應用本身的響應時(shí)間，傳感器需要頻繁或偶爾發(fā)送測量的傳感器信息。兩個(gè)工作周期之間的時(shí)間間隔越長(cháng)，平均功耗越低，實(shí)際使用的能量就越少。

　　

傳感器可能還需要在兩次無(wú)線(xiàn)電傳輸之間捕捉多個(gè)數據采樣。根據捕捉的實(shí)際物理信息，可消耗或多或少的電流。典型示例包括運放和橋式稱(chēng)重傳感器，它們在工作時(shí)需要相當大的電流(相對于發(fā)送 RF 數據時(shí)的電流消耗)。

　　

對于實(shí)際的無(wú)線(xiàn) RF 發(fā)送配置，需要特別注意。幅值或頻率調制、信息的發(fā)送速率(比特率和/或頻率偏差)以及天線(xiàn)的 RF 輸出功率等參數都對總功耗有很大影響。工作時(shí)間越短，平均功耗越低——這一經(jīng)驗法則在這里同樣適用。系統需要經(jīng)過(guò)精心設計，以消除所有不必要的功耗，例如避免 LED 始終點(diǎn)亮。處理器必須盡可能長(cháng)地處于低功耗狀態(tài)。板上的所有其他器件在未使用時(shí)都必須處于低功耗待機模式。

　　

這意味著(zhù)，傳感器單元在連續的兩次數據發(fā)送之間必須等待不到一秒的時(shí)間。此外，還必須注意，上述計算公式適用于太陽(yáng)能電池無(wú)限擁有持續光源的情況。當然，這在大多數情況下是不可能實(shí)現的，因為主要能量來(lái)源是白天才有的自然光。在這種情況下，必須對計算進(jìn)行擴展，以考慮到能量采集系統需要在白天存儲能量供沒(méi)有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未計算實(shí)際傳感器測量所需的能量。

　　

　　

根據實(shí)際的系統要求，實(shí)現能量采集功能時(shí)有多種能量存儲方案可選。其中包括：

　　

- 將能量采集到超級電容中。

　　

- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行涓流充電。無(wú)需任何充電穩壓器。另外，鎳氫可充電電池的成本非常低。

　　

- 直接由能量采集器供電。在主要的能量來(lái)源(如光或熱)連續可用并且生成的能量足以為無(wú)線(xiàn)傳感器電路供電的情況下，無(wú)需將能量存儲到單獨的設備中。當然，此選項的適用性非常有限。

　　

　　

當開(kāi)發(fā)低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)時(shí)，使用能量采集解決方案的主要好處不是節省無(wú)線(xiàn)解決方案的單位成本，而是節省無(wú)線(xiàn)傳感器系統的部署和維護成本。您曾經(jīng)有多少次需要在凌晨 1 點(diǎn)爬梯子更換煙霧探測器的電池，監視和更換無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )電池的維護成本大大高于設備本身的成本，尤其是無(wú)線(xiàn)傳感器系統安裝在遠端或難以觸及的區域時(shí)。當需要定期維護服務(wù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)系統的規模(傳感器數)也會(huì )成為一個(gè)較大因素。借助能量采集技術(shù)，我們可以采集“免費的”能量并存儲該能量以供確實(shí)需要時(shí)使用，而無(wú)需對無(wú)線(xiàn)系統的功耗施加明顯的限制即可確保 5 年以上的電池壽命，這樣客戶(hù)便不再需要更換電池。

　　

　　

現在能夠以更具競爭力的價(jià)格點(diǎn)設計能量采集無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，尤其是業(yè)務(wù)上不需要支持某些更復雜的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準(例如 ZigBee 或 Wi-Fi®)時(shí)。大多數新無(wú)線(xiàn)傳感器設計甚至不需要電池，而是可以從不同的主要能量來(lái)源(如光、無(wú)線(xiàn)電波、機械能和熱能)采集能量。更多類(lèi)型的能量采集源每天都在開(kāi)發(fā)中(例如基于血糖的采集源)。

　　

在正常情況下，低功耗能量采集無(wú)線(xiàn)傳感器幾乎可無(wú)限期工作，并且從不需要任何人工干預。這會(huì )是一個(gè)巨大的優(yōu)勢，并且可以節省大量維護成本，尤其是傳感器位于難以或者無(wú)法觸及的位置時(shí)。通過(guò)更加細心地選擇通信協(xié)議和數據傳輸速率，并更好地利用新型 RF 器件(如新的 PIC12F1840T48A)上的功耗管理功能，我們可以顯著(zhù)降低總功率需求，從而減少無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案的成本。